GLP-1R and GPR39 signaling modulate insulin secretion in pancreatic β-cells

Abstract

당뇨병은 신체가 혈액 내 포도당 양을 조절하지 못하는 만성 대사 장애이다. 포도당 자극에 의해 췌장 베타 세포로부터 분비되는 인슐린은 정상 포도당 농도를 유지하기 위한 중요한 호르몬이다. 포도당 자극 인슐린 분비 (GSIS)는 호르몬 및 신경 전달 물질에 의해 증폭된다. 포도당 의존적 인슐린 영향성 폴리펩타이드 (GIP)와 글루카곤류 펩타이드-1 (GLP-1)은 식사 후 고혈당증을 예방하고 인슐린 분비를 증폭시킨다. GLP-1 과 GIP 두 호르몬 모두 건강한 사람들의 췌장 베타 세포에서 인슐린 분비를 촉진하지만 비만 및 제 2 형 당뇨병이 진행됨에 따라 GIP 는 그 인슐린 영향력을 잃으며, GLP-1 수용체 (GLP-1R) 작용제는 GLP-1R 의 Gs 에서 Gq 로의 신호 전환으로 인해 효과적으로 유지된다. 이 신호 전환을 통해 비만 및 당뇨병에서 GLP-1 및 GIP 의 상대적 인슐린 영향력을 설명할 수 있다. 이 연구에서 우리는 소포체 스트레스가 쥐 세포에서 GLP-1R 신호에서 Gs 에서 Gq 로의 전환을 유발함을 입증하였다. 흥미롭게도 소포체 스트레스를 완화하는데 알려진 4-PBA 및 TUDCA 와 같은 화학 샤페론이 소포체 스트레스나 비만, 당뇨 상태에서 유발된 GLP-1R 신호 전환을 되돌리는 대신 GLP-1R 의 Gq 신호전달을 강제로 유도하였다. 또한 소포체 스트레스 관련 신호인 미접힘 단백질 반응에 중요한 요소인 XBP1 과 ATF6 의 활성화는 GLP-1R 신호에서 Gs 신호전달을 촉진하며, ER 스트레스에 의한 Gq 신호전달은 XBP1 또는 ATF6 의 활성화에 영향을 받음을 확인하였다. 우리의 연구는 소포체 스트레스와 관련된 신호가 GLP-1R 신호를 조절하며, 이것이 제 2 형 당뇨병 치료에 활용될 수 있음을 시사한다. 당뇨병 환자의 경우 GIP 와 GLP-1 모두 당뇨병 환자의 인슐린 분비를 조절하기 위해 G 단백질-결합 수용체 (GPCR)에 결합한다. GPCR 은 외부 신호를 주요 생리학적 영향으로 전달하는 일곱 개의 Transmembrane domain 을 가진 수용체이다. GPCR 은 제 2 형 당뇨병에 연관되어 있으며 가장 매력적인 약물 표적 클래스이다. G 단백질-결합 수용체 39 (GPR39)는 알려진 생리학적 작용제가 없는 고아 GPCR 이다. 본 연구에서 우리는 GPR39 을 표적으로 기대한 새로운 작용제인 GJ39A 를 합성하였다. 마우스 실험에서 GJ39A 주사가 당뇨병 모델인 db/db 마우스의 공복 혈당을 낮추고 당뇨병 마우스의 포도당 내성을 증가시켰다. 체외 연구에서 결과는 GJ39A 가 높은 포도당 조건에서 췌장 인슐린 분비를 자극하기 위해 GPR39 을 표적으로 사용함을 확인하였다. 게다가, GPR39 은 마우스 췌장의 아연 운반체 발현을 조절함을 보였다. 이러한 결과는 GJ39A 가 GPR39 의 새로운 작용제로서 제 2 형 당뇨병 치료에 유용할 수 있음을 시사한다.|Diabetes mellitus is a chronic metabolic disorder in which the body cannot regulate the amount of glucose in the blood. Insulin, which is secreted from pancreatic β cells upon glucose stimulation, is the crucial hormone for maintaining normoglycemia. Glucose stimulated insulin secretion (GSIS) is amplified by hormones and neurotransmitters. The incretin hormones, such as glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1), amplify insulin secretion and prevent postprandial hyperglycemia after meal ingestion. GLP-1 and GIP jointly stimulate insulin secretion in pancreatic β cells in healthy subjects. However, as obesity and type 2 diabetes progress, GIP loses its insulinotropic efficacy, whereas GLP-1 receptor (GLP-1R) agonists continue to be effective due to GLP-1R’s signaling switch from Gs to Gq. The signaling switch explains the relative insulinotropic effectiveness of GLP-1 and GIP, as GLP-1 can activate both Gq and Gs, whereas GIP preferentially activates Gs. In this study, I demonstrated that endoplasmic reticulum (ER) stress induced a transition from Gs to Gq in GLP-1R signaling in mouse islets. Intriguingly, chemical chaperones known to alleviate ER stress, such as 4-PBA and TUDCA, enforced GLP-1R’s Gq utilization rather than reversing GLP- 1R’s signaling switch induced by ER stress or obese and diabetic conditions. In addition, the activation of XBP1 or ATF6, two key ER stress-associated signaling (unfolded protein response, UPR) factors, promoted Gs utilization in GLP-1R signaling, whereas Gq employment by ER stress was unaffected by XBP1 or ATF6 activation. My study revealed that ER stress and its associated signaling events modulate GLP-1R’s signaling, which may be exploited in type 2 diabetes treatment. Both GIP and GLP-1 bind to the GPCRs to adjust insulin secretion in diabetic individuals. GPCRs contain seven-transmembrane domains that transduce extracellular signals into key physiological effects, and GPCRs have been implicated in type 2 diabetes mellitus. Additionally, GPCRs are the most attractive drug target class. G protein-coupled receptor 39 (GPR39) is an orphan GPCR with unknown physiological peptide agonists. In the present study, a new peptide agonist, GJ39A, which is expected to target GPR39, was synthesized. In an in vivo study, the results showed that GJ39A injection decreased the fasting glucose level and increased the glucose tolerance in the diabetic db/db mice. An in vitro study confirmed that GJ39A targeted GPR39 to promote islet insulin secretion upon high glucose stimulation. Besides, GPR39 regulated the zinc transporters’ expression in the mouse islets. These results suggest that GJ39A, as a novel agonist of GPR39, may be useful in type 2 diabetes mellitus treatment. Key words: Type 2 diabetes, GLP-1, GPCR signaling, ER stress, GPR39.