Estrogen and Serotonin – old dogs, new tricks, Implications for pancreatic beta-cell function

Islet hormone secretion is tightly regulated by metabolic status as well as local and circulating factors. These factors can activate different receptors on the pancreatic islet cells, for instance G-protein coupled receptors (GPCRs). When activated, these receptors are able to fine-tune islet hormone secretion and regulate overall β-cell function. Estrogen and serotonin are circulating factors that bind to GPCRs. First, we studied the activation of GPER-1 in pancreatic islets using two agonists G-1 and Estrogen (E2). Both G-1 and E2 displayed a similar response in mouse and human islets even in the presence of estrogen receptor blockers, ICI 182, 720 and EM652. G-1 and E2 potentiated insulin secretion and inhibited glucagon and somatostatin secretion. G-1 induced cAMP generation, suggesting positive coupling to adenylate cyclase and a subsequent rise in insulin release. Furthermore both agonists protected pancreatic islets from cytokine-induced apoptosis via activation of anti-apoptotic signals, CREB, ERK1/2 and AKT and reduced phosphorylation of the pro-apoptotic signals SAPK/JNK and p38. Second, we studied serotonin (5-HT) receptors in human islets and INS (832/13) cells. We detected 15 different 5-HT receptors and the 5-HT producing enzymes, TPH1 and TPH2 as well as DDC. Cellular localization for 5-HT1A, 5-HT1D and 5-HT2A were observed in both β- and α-cells; while 5-HT2B was only present in β-cells. Agonists targeting these four receptors were able to either inhibit or stimulate insulin secretion from human islets and INS (832/13) cells. In addition, 5-HT was quantified using GC/MS in INS (832/13) cells, rat islets and detected in human α and β-cells with immunohistochemistry. Third, we investigated the peripheral role of a 5-HT2 receptor agonist, α-methyl serotonin maleate salt (AMS) in insulin resistance and β cell function. Long-term treatment with AMS in a high fat diet fed mouse model resulted in increased insulin sensitivity in vivo in high fat fed AMS treated mice. Moreover, insulin secretion from AMS treated control fed mice in vitro was decreased while plasma glucose levels were similar in vivo between AMS treated and untreated controls. In addition, AMS mediated protection from lipotoxicity in INS-1(832/13) cells. In conclusion, this thesis contributes to increased understanding of how estrogen and peripheral 5-HT mediate their effects on islet function and overall glucose homeostasis. Internationella diabetesförbundet räknar med att en tiondel av världens befolkning kommer att ha någon form av diabetes om 50 år. Diabetes är en sjukdom med global spridning som innebär att kroppen inte kan ta hand om all den näring man intar, framförallt inte sockret. Detta medför att sockerhalten i blodet höjs. Insulin produceras efter en måltid och signalerar till kroppens muskel-, fett- och leverceller att ta upp och använda sockret i blodet. Cellerna som producerar hormonet insulin finns i bukspottskörteln. Om blodsockret förblir högt under en längre tid tröttas de insulinproducerande cellerna ut och blodsockret skjuter ytterligare i höjden, kroppens celler börjar förstöras och andra följdsjukdomar kan uppstå, såsom hjärt- kärl-, ögon-, njur- och nervsjukdomar. I vår forskning visar vi att östrogen har en skyddande effekt på de insulinproducerande cellerna samt att insulinproduktionen ökar. Östrogen, som framförallt är ett kvinnligt hormon, finns också i lägre koncentrationer hos män. Östrogen fungerar som ett signalhormon i kroppen och aktiverar sina mottagare (receptorer). I kroppens celler finns det två typer av östrogenreceptorer, de som verkar inuti cellkärnan och de som finns i cellens membran. Vi har i möss studerat den membranbundna, ”yttre” receptorn, som kallas GPER-1. När denna receptor signalerar ser vi positiva effekter av östrogen. Här har vi använt en specifik substans, G-1, som endast aktiverar GPER-1. Vi kan konstatera att östrogenreceptorerna finns i de hormonproducerande cellerna i bukspottskörteln. G-1:s effekt följde östrogenets effekt på bukspottskörtelceller från både möss och människor. Insulinproduktionen ökade och glukagonproduktionen minskade. Vid behandling med G-1 och östrogen, överlevde tre gånger så många celler då vi utsatte dem för ämnen som är involverade i inflammation. Vi har även studerat serotoninets (5-HT) effekt på bukspottskörtelcellerna. Serotonin har man tidigare studerat som en signalsubstans i nervbanor, där serotonin fungerar som stämningsreglerare och finns cirkulerande i blodomloppet där det kan påverka bland annat blodtrycket. Serotonin signalerar genom flera olika sorters serotoninreceptorer. Vi har funnit femton olika receptorer för 5-HT i bukspottskörtelns hormonproducerande celler från människa och att dessa olika receptorer kan antingen påverka frisättningen positivt eller negativt. Vidare visar vi också att ett specifikt läkemedel som aktiverar en 5-HT2B receptor (AMS) har en positiv effekt på insulinutsöndring, samt att det kan motverka något som kallas för insulinresistens. Insulinresistens gör att kroppens celler har svårt att ta upp socker, vilket bidrar till ökade blodsocker nivåer och slutligen typ 2 diabetes. Resultaten i denna avhandling bidrar till att öka den allmänna kunskapen om östrogen och hur förändrade östrogennivåer kan leda till diabetes, till exempel vid graviditet och efter övergångsåldern. Vår forskning bidrar även till ökad kunskap om vilka receptorer för 5-HT som är involverade i reglering av insulinfrisättning och att stämningsreglerande läkemedel, till exempel antidepressiva läkemedel, som primärt verkar genom att öka mängden serotonin i hjärnan, kan ha oönskade effekter på energiomsättningen och ge upphov till diabetes och övervikt. Vi visar också att systemet för 5-HT i bukspottskörteln kan ha positiva effekter beroende på vilka receptorer man väljer att aktivera. Systemen för östrogen och 5-HT är komplexa, men vidare studier av dessa system kan bidra till utvecklingen av nya, mer effektiva läkemedel för typ 2 diabetes.