Effects of Tentonin3 / TMEM150C on glucose-stimulated insulin secretion

Abstract

포도당은 인체의 에너지원으로 중요한 물질이다. 세포는 해당과정(glycolysis)과 미토콘드리아 내 유기호흡을 통해 포도당을 인체의 에너지 형태인 ATP (아데노신 삼인산)로 합성한다. 과다하게 섭취된 포도당은 호르몬 인슐린에 의해 글리코겐이라는 형태로 간에 저장되어 혈당이 떨어지는 경우, 호르몬 글루코겐에 의해 다시 포도당으로 전환 되어 혈액을 통하여 다른 세포들에게 전달된다. 하지만 뇌와 같은 장기는 혈액 내 포도당에만 의존하여 에너지를 공급 받기에 혈액 내 일정한 포도당 농도를 유지하는 것이 뇌의 기능을 위해 중요하다. 당항상성은 주로 췌장에서 분비 되는 호르몬에 의해 조절된다. 혈당의 높낮이는 췌장 내 랑게르한스섬에 의해 감지 되어 호르몬들이 분비되는데, 저혈당의 경우 글루카곤이, 고혈당의 경우 인슐린이 분비된다. 췌장 베타세포에서 인슐린 분비 기전으로는 ATP-sensitive potassium (KATP) 채널에 의존하는 기전이 가장 잘 알려져 있다. 혈액 내 포도당은 췌장 베타세포의 운반체인 GLUT2 (Glucose transporter)를 통해 세포 내로 유입되어 대사과정에 의해 ATP가 생성되는데, ATP의 증가는 KATP 채널의 통로를 닫는다. 칼륨(K)이 세포 내에 축적 되면 세포막의 탈분극이 일어나고, 이는 전압의존성 칼슘채널을 열어 세포내 칼슘 농도를 증가시킨다.

칼슘은 인슐린과 세포막의 융합을 유도하여 세포외배출을 일으킨다. 하지만 이와 더불어 KATP 채널에 의존하지 않는 또 다른 인슐린 분비 기전이 존재한다는 것이 알려져 있다. 고농도의 포도당이 대사전달에서 생성되는 젖산에 의해 삼투압에 따른 세포 팽창을 일으키고, 세포막의 수축에 따라 부피 감지 음이온채널 및 기계적 자극 감지 양이온채널들을 활성화 시킬 것이라고 알려져 있지만 이들의 분자적 정보는 잘 알려져 있지 않다. 최근 우리 실험실에서는 오감각의 하나인 촉각, 즉 기계적인 자극에 의해 조절되는 양이온 전류가 TMEM150C/Tentonin 3(TTN3) 채널에 의해 조절된다는 것을 밝혔다. 선행연구에서 TTN3 단백질이 췌장에서 높은 발현을 보이는 것을 확인하였다. 기계적 자극을 감지하는 채널인 TTN3가 췌장 내에서 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 본 연구를 시작하게 되었다. 결과로, TTN3가 췌장 내 인슐린을 분비하는 베타세포에 특이적으로 많은 발현을 보이는 것을 확인하였다. TTN3가 넉아웃 된 셀에서는 고농도의 포도당 그리고 저삼투압에 의한 양이온 전류, 그리고 세포내 칼슘 유입이 줄어들었고, 분비되는 인슐린의 양도 줄었으며 포도당향상성이 저하 되어있어 정상 쥐에 비해 높은 혈당을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구는 기계적 자극 감지 이온채널인 TTN3가 췌장내 베타세포에서 인슐린 분비에 미치는 영향과 분자수준의 메커니즘을 제시하였다.

Glucose is a starting material for nearly all biosynthetic reactions in our body. Using glucose, cells generate adenosine triphosphate (ATP), the main source of energy in our body, through glycolysis and mitochondria. Excess glucose is stored as glycogen for future use. Not like other parts of the body, the brain cannot store glucose and mostly depends on the glucose in the bloodstream. Therefore, it is important to maintain a constant level of blood glucose, which process is known as glucose homeostasis. Glucose homeostasis is regulated mainly by pancreatic hormones. Food intake triggers a rise in blood glucose levels, which is monitored by pancreas. The pancreas releases a hormone, insulin, which brings glucose to the tissues for respiration or to the liver glycogenesis, in which the glucose is stored as glycogen. During the fasting state, the other hormone glucagon promotes hepatic glucose production (also known as glycogenolysis), which raises the dropped blood glucose level back to the normal range. Effects of both hormones are critical for the glucose homeostasis, but the homeostasis is mainly regulated by insulin.

Glucose-stimulated insulin secretion in β-cells is mediated through ATP-sensitive K+ (KATP)-dependent pathway. Once the cell detects high glucose in the plasma, glucose is transported into the cell via glucose transporter 2 (GLUT2) and metabolized by glycolysis

increasing the intracellular ATP/ADP ratio. This leads to the closure of KATP channels, which in turn depolarizes membrane potentials and activates voltage-gated Ca2+ channels (VGCC). Increased cytoplasmic Ca2+ level triggers Ca2+-dependent exocytosis of insulin granules. Although the main triggering pathway for insulin secretion is KATP channel-dependent pathway, involvement of KATP channel-independent β- cell depolarization in response to high extracellular glucose level has been also proposed. One of candidate mechanisms for the latter pathway derived insulin secretion is that high glucose concentration not only depolarizes membrane potential of the β-cells via KATP channel, but also induces cell inflation, which process is described as swelling-stimulated insulin secretion. Many studies have shown that β-cell swelling, upon glucose or hypotonic stimulations, is sufficient to release insulin granules through ion channels such as volume regulated anion channels and/or stretch activated cation channels, that sense stretch of β-cell membrane and develop depolarization. Recently, the molecular identity of the anion channel was found to be SWELL1 (83), however, the molecular identity for the stretch-activated cation channel responsible for swelling-stimulated insulin secretion in β-cells remains unknown.

Recently our lab identified a new mechanosensitive cation channel, Tentonin 3 (TTN3/ TMEM150c), that mediates slowly adapting currents in various neurons. Interestingly, along with dorsal-root ganglia neuron, it is highly expressed in pancreas. In the present study, we

determined whether TTN3 plays a functional role in pancreas and possible involvement in the glucose-stimulated insulin secretion by mediating cation influx to hypotonic stimulation. We discovered that TTN3 is expressed in mouse pancreatic β-cells and mediates mechanosensitive responses. As glucose-induced swelling is a well-known mechanical stimuli in pancreas, we further assessed the activity of TTN3 to high glucose- or hypotonic-stimulations. Both of glucose- and hypotonic stimulations induced cationic currents in isolated pancreatic β-cells, and the response was significantly reduced in Ttn3 KO β-cells. In addition, genetic ablation of Ttn3 showed decreased electrical activity and Ca2+ influx in β-cells to those stimulations. Moreover, Ttn3 KO mice showed impaired glucose tolerance with decreased insulin secretion in vivo. Here we propose that TTN3, as a stretch-activated cation channel, contributes to the glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic β-cells.