Regulerende mechanismen die de productie van insuline-achtige peptiden in de Drosophila insuline-producerende cellen controleren

Insuline is een belangrijk hormoon en wordt gesecreteerd door de bètacellen in de pancreas wanneer er een overschot aan energie beschikbaar is in het bloed. Dit activeert perifere weefsels zoals vetweefsel en spieren om deze energie op te slaan voor later gebruik. Een verstoring van de insulinesignalering leidt tot de ontwikkeling van diabetes en draagt bij tot de ontwikkeling van kanker. In het veelgebruikte modelorganisme, de fruitvlieg, Drosophila melanogaster, wordt een vergelijkbaar mechanisme gevonden. Drosophila Insuline-achtige peptiden (Dilps), die qua structuur en functie verwant zijn aan menselijk insuline, worden geproduceerd in onder andere de “insuline-producerende cellen” (IPCs). In tegenstelling tot de menselijke betacel in de  pancreas produceren IPCs tot vier verschillende dilps die onafhankelijk worden gereguleerd. De IPCs, die zich in de hersenen bevinden, spelen een belangrijke rol in de regulatie van groei, metabolisme, vruchtbaarheid, stressrespons en vruchtbaarheid. Opmerkelijk zijn de sterke gelijkenissen die IPCs vertonen met de betacellen, variërend van de manier waarop dilps/insuline worden opgeslagen en afgescheiden, tot de expressie en rol van evolutionair bewaarde transcriptiefactoren zoals Eyeless (Ey)/PAX6.

Het doel van dit doctoraat was om ons begrip van de ontwikkelingsgenetica van de IPCs en de transcriptionele controle van dilp2, -3 en -5 in de IPCs te verdiepen. In een eerste luik hebben we publiek beschikbare transcriptoomdata gebruikt om genetische varianten te identificeren die geassocieerd zijn met transcriptniveaus van dilp2, -3 en -5 in een genetisch gedefinieerde populatie die representatief is voor de natuurlijke variatie. Genen die door deze varianten worden beïnvloed, werden verder geanalyseerd in hun rol in de controle van de expressie van dilp2, -3 en -5 in de IPCs met behulp van een op RNAi gebaseerde aanpak. De transcriptiefactor Homothorax (Hth) werd geïdentificeerd als een belangrijke regulator van de expressie van dilp2 en -3. Zijn co-factor Extradenticle (Exd) bleek een even belangrijke rol te spelen in de IPCs van adulte vliegen. Eerdere studies hadden al een rol voor Ey en Dachshund (Dac) in de IPCs vastgesteld. Deze vier transcriptiefactoren zijn het best bekend voor hun rol in het Retinal Determination Gene Network (RDGN) in het zich ontwikkelende oog. Vervolgens hebben we de rol van andere leden van het RDGN gekarakteriseerd en ontdekt dat velen functioneel zijn in de IPCs om de expressie van dilp2 en -5 te activeren. Dit netwerk wordt dus hergebruikt in de IPCs.

Bovendien hebben we een rol gedefinieerd voor het Drosophila TCF7L2-homoloog pangolin (pan) in de differentiatie en functie van de Drosophila IPCs. Varianten in TCF7L2 zijn robuust en onafhankelijk geïdentificeerd bij verhoogd risico op type 2 diabetes ontwikkeling en verschillende studies hebben gewezen op een rol voor TCF7L2 in de ontwikkeling van betacellen. Wij ontdekten dat de expressie van een dominante negatieve vorm van Pan ernstige nadelige effecten had op de ontwikkeling van IPCs. De expressie van verschillende belangrijke transcriptiefactoren zoals Dimmed, Ey en (larvale) Hth is aanzienlijk verminderd. Dit resulteerde ook in de bijna volledige afwezigheid van expressie van dilp2, -3 en -5  in de IPCs en beïnvloedde ernstig hun morfologische differentiatie. Dit toont aan dat TCF7L2/Pan een geconserveerde rol heeft in de differentiatie van de IPCs.

Tot slot hebben we een Yeast-1-hybrid studie uitgevoerd van de proximale promotoren van dilp2, -3 en -5 om de transcriptiefactoren die rechtstreeks betrokken zijn bij hun regulatie te identificeren. Dit onthulde dat er bijna geen overlap is tussen de transcriptiefactoren die deze drie dilps reguleren, wat aangeeft dat ze onafhankelijk worden gereguleerd. We vonden ook bewijs voor compensatie en onderlinge afhankelijkheid van dilp-expressie. Interessant is dat we een rol hebben gedefinieerd voor een tweede PAX6-homoloog, twin of eyeless (toy), in de regulatie van dilp2 en IPC-morfologie. Dit benadrukt verder de geconserveerde associatie tussen PAX6 en insuline.

Samengevat resulteerden deze resultaten in de identificatie van verschillende transcriptiefactoren, waaronder Hth, Pan en Toy, met een rol in de transcriptionele controle van dilps en/of de ontwikkeling van IPCs. Hun homologen hebben vergelijkbare rollen in de betacel, wat aanvullend bewijs levert voor een evolutionair geconserveerd regulerend netwerk dat de expressie van insuline controleert.