The role of CART in islet function

Diminished insulin secretion and dysregulated glucagon secretion are key features of type 2 diabetes (T2D). The overall aim of this thesis was to study the role of cocaine- and amphetamine-regulated transcript (CART) in islet cell function and how CART regulates glucose homeostasis. We found that CART is expressed in human islet cells and that its expression is increased in patients with T2D, as well as in mouse models of T2D. Rat islet CART expression was regulated by glucose and beta cell CART expression was normalised by insulin treatment in diabetic rats. Furthermore, CART increased insulin secretion from both mouse and human islets in a glucose-dependent fashion. This could partly be explained by increased beta cell exocytosis, altered intracellular Ca2+ oscillation pattern as well as improved synchronisation of Ca2+ oscillations between islet cells. Importantly, CART increased insulin secretion and glucose elimination in vivo in mice. We also showed that CART decreased glucagon secretion in mouse and human islets, as well as in vivo in mice, and that CART reduced exocytosis in alpha cells. To mimic the situation in patients, with increased beta cell CART expression, we generated transgenic mice with beta cell-specific CART overexpression (CARTtg) and studied the impact of increased beta cell CART expression on glucose homeostasis in vivo. Under basal conditions, CARTtg mice were normoglycaemic and normoinsulinemic, but when challenged by streptozotocin treatment or a high fat diet, and in ageing, CARTtg mice displayed increased insulin secretion compared with wild-type littermates. This was accompanied by improved glucose elimination in streptozotocin-treated and aged mice, but not in high fat diet-fed mice, which instead displayed mild insulin resistance. Moreover, viral overexpression of CART in INS-1 (832/13) cells increased insulin secretion. Finally, we found that adipocytes from CARTtg mice had altered metabolism, suggesting that CART may be a mediator of cross-talk between beta cells and adipose tissue. Collectively, our data imply that CART has an important role in beta cell function and in regulation of glucose homeostasis. Hence, the potential for CART-based therapies in T2D should be evaluated.

I Sverige finns idag över 300 000 personer med diabetes och antalet ökar stadigt. Även om diabetes är en sjukdom som man kan leva med länge innebär sjukdomen ofta ett stort lidande för patienten samtidigt som det är en ekonomisk belastning för samhället att ta hand om dessa patienter. Ökad kunskap om sjukdomen och utveckling av nya mediciner är därför viktigt för att kunna bromsa denna negativa utveckling. I denna avhandling beskrivs hur hormonet CART kan påverka faktorer som är viktiga vid utveckling av diabetes och för diabetesbehandling.

Det finns flera varianter av diabetes och den vanligaste varianten, typ 2-diabetes (tidigare kallad åldersdiabetes), utgör cirka 90 % av alla fall. Majoriteten av de som insjuknar i typ 2-diabetes är överviktiga och sjukdomen är vanligtvis en konsekvens av en stillasittande livsstil och dåliga kostvanor, ofta i kombination med ärftliga faktorer. Det är inte ovanligt att typ 2-diabetespatienter även har andra livsstilsrelaterade hälsoproblem, såsom högt blodtryck och höga blodfetter.

Man räknar idag med att ungefär 3-4 % av den svenska befolkningen har typ 2- diabetes och det är en siffra som ökar, förmodligen på grund av ökande förekomst av övervikt och fetma. Men även om den största riskfaktorn för typ 2-diabetes är fetma, så insjuknar inte alla som har fetma i diabetes. Anledningen till detta är, trots omfattande forskningsinsatser, fortfarande inte helt klarlagd.
Diabetes innebär att kroppen inte kan reglera sockerhalten i blodet på egen hand. Sockret, som behövs som energi till kroppens celler, får svårare att ta sig in i cellerna. Detta medför att sockerhalten i blodet efterhand stiger, vilket på sikt kan leda till komplikationer såsom njursvikt, hjärt-och kärlsjukdomar och blindhet. Det som behövs är hormonet insulin som hjälper sockret att ta sig från blodet och in i cellerna.

Insulin produceras i speciella celler som finns i ansamlingar i bukspottkörteln. Dessa ansamlingar kallas de Langerhanska öarna. Typ 2-diabetes orsakas oftast av en kombination av att insulinet inte fungerar tillräckligt effektivt och att de Langerhanska öarna frisätter för lite insulin. En anledning till att det frisätts för lite insulin är att de insulinproducerande cellerna i bukspottskörteln fungerar dåligt och i vissa fall dör.

Utöver att ha för lite insulin har många diabetiker även för höga nivåer av hormonet glukagon. Glukagon, som också produceras i celler i de Langerhanska öarna, fungerar på motsatt sätt som insulin och höjer istället blodsockret mellan måltider. Detta medför att höga nivåer av glukagon bidrar till de redan för höga nivåerna av blodsocker vid diabetes. Nya läkemedel som hjälper bukspottkörteln att frisätta mer insulin och mindre glukagon skulle därför kunna vara till stor nytta.

Vår forskargrupp har tidigare upptäckt att ett hormon som heter ”Cocaine- and Amphetamine-Regulated Transcript” (förkortat CART) kan få en insulin- producerande cellinje att frisätta mer insulin samt att CART även kan skydda de insulinproducerande cellerna från att dö. Dessutom har vi visat att nivåerna av CART är högre i insulinproducerande celler hos diabetiska råttor än hos friska råttor. Vilken betydelse CART har hos oss människor är dock ännu inte klarlagt och inte heller vilken betydelse höga nivåer av CART har. Målet med denna avhandling är att studera just detta.

Den första studien visar att CART finns i insulin- och glukagonproducerande celler i bukspottkörteln hos oss människor samt att det även finns högre nivåer av CART i insulinproducerande celler hos personer med typ 2-diabetes. Vi visar även att CART ökar insulinfrisättningen samt minskar frisättningen av glukagon från Langerhanska öar från människor, vilket gör att CART kan reglera blodsockernivån på två olika sätt.

De första experimenten gjordes på mänskliga Langerhanska öar som donerats till forskning. För att visa att CART även fungerar i levande organismer testade vi effekten av CART i möss. Anledningen till att man ofta testar nya ämnen i möss är att de har en ämnesomsättning som människans. Om man i djurförsök kan visa att ämnet fungerar, samt att det inte är giftigt, kan man gå vidare med försök i människor. I möss kunde vi visa att CART ökade insulinfrisättningen, minskade glukagonfrisättningen samt förbättrade blodsockerregleringen. Tillsammans visar dessa resultat att CART är viktigt för reglering av blodsockernivåer i möss. Detta gör att vi har förhoppningar om att CART har samma effekt i människor.

Vårt DNA innehåller våra gener (arvsanlag) och dessa ärvs från våra föräldrar. Generna kan liknas vid ritningar över allt som tillverkas i våra celler, till exempel proteiner. När man vill förstå hur ett protein som tillverkas i kroppen fungerar kan man ändra genen för detta protein. Man kan bland annat ta bort eller göra flera kopior av en specifik gen. Detta gör man rutinmässigt i möss och man brukar kalla den förändrade musen för en musmodell.

I den andra studien ville vi förstå hur ökade nivåer av CART påverkar insulinproducerande celler, något som vi hade upptäckt hos personer med typ 2- diabetes i vår första studie. För att studera detta tillverkade vi en musmodell som hade fler kopior av CART-genen i sina insulinproducerande celler. Vi visar att denna mus har förbättrad frisättning av insulin när den blir gammal samt att den är delvis skyddad mot en viss typ av diabetes. När man ger musen en väldigt fettrik kost får den också ökad insulinfrisättning. Resultaten visar att förhöjda nivåer av CART i insulinproducerande celler gör att dessa fungerar bättre. Därför tror vi att de ökade CART-nivåerna vid typ 2-diabetes är en skyddsmekanism mot förhöjt blodsocker.

Hos personer med typ 2-diabetes är ämnesomsättningen i fettcellerna ofta förändrad, vilket kan bidra till att förvärra sjukdomen. Vi har i tidigare studier visat att CART påverkar ämnesomsättningen i isolerade fettceller från råttor. I den tredje studien ville vi därför undersöka om vår musmodell hade förändrad ämnesomsättning i fettcellerna.

Vi visar att fettceller från musmodellen har ändrad ämnesomsättning, samt att musen går upp snabbare i vikt när den får en fettrik kost om man jämför med vanliga möss. Detta skulle kunna bero på att de insulinproducerande cellerna frisätter mer CART, vilket gör att de får högre nivåer av CART i blodet. CART kan då transporteras via blodet till fettcellerna och påverka dessa. I så fall skulle CART kunna vara en ny signalbärare mellan de Langerhanska öarna och fettväven. Om detta sker även hos människor är dock för tidigt att säga. Om det visar sig vara så kommer vi att få en ökad förståelse för hur olika organ i kroppen kommunicerar med varandra.

Vi har i denna avhandling alltså visat att hormonet CART påverkar insulin- och glukagonfrisättning samt att CART har en viktig roll i insulinproducerande celler vid utveckling av diabetes. Tillsammans gör dessa egenskaper att jag har stora förhoppningar om att CART-baserade ämnen skulle kunna användas som ett framtida läkemedel mot diabetes.