Estudi de l’activació de la glucocinasa (GKA456V) en fetge perivenós

Abstract

La GK és clau en la regulació del metabolisme glucídic tant per la seva funció al pàncrees en què determina la secreció d’insulina, com per la seva funció al fetge on controla les vies d’utilització i d’emmagatzematge de glucosa. Per aquest motiu és una bona diana per a la teràpia de la diabetis, i diverses companyies farmacèutiques estan desenvolupant activadors sintètics de la GK (GKA) pel tractament de la diabetis de tipus 2. Els estudis de GKAs existents avaluen l’activació de la GK a nivell sistèmic i no es coneixen els seus efectes específis sobre la GK al fetge. Per indagar-los, com que no disposàvem d’un GKA específic per a la GK del fetge, ens vam proposar la sobrexpressió d’una forma de GK amb una mutació activadora (GK-A456V) que confereix característiques cinètiques a l’enzim idèntiques a les obtingudes amb els GKAs. L’introduírem al fetge perivenós mitjançant transfecció gènica hidrodinàmica (perquè és la zona on s’expressa majoritàriament l’enzim salvatge en condicions fisiològiques). Un dels controls emprats en l’estudi fou la sobrexpressió de la GK salvatge també a la zona perivenosa, que ens permetria comparar els resultats d’aquesta sobrexpressió local de la GK amb la sobrexpressió no zonal descrita a la bibliografia. Per una banda, avaluàrem els efectes de la sobrexpressió i de l’activació de la GK hepàtica en el context d’un animal sa a llarg termini, per determinar si hi havia risc de resistència a insulina (com s’esdevé en alguns models de sobrexpressió no zonal de GK al fetge). Tant l’activació com la sobrexpressió de GK al fetge perivenós a curt termini comportaren una disminució de la glicèmia i de la insulinèmia. No obstant, en avaluar-ho a llarg termini, la sobrexpressió de GK generà un fenotip de resistència a insulina exclusivament al fetge. En canvi, la GK-A456V comportà un fenotip amb un perfil metabòlic similar als animals controls, sense alteracions dels nivells de glúcids i lípids (sèrics i hepàtics). Al fetge, malgrat que no provocava canvis en el metabolisme glucídic i lipídic, l’activació de la GK va promoure la desregulació per GKRP i la inducció de la glucosa-6-fosfatasa. Per altra banda, la presència de la GK activada al fetge resultà en una activació del catabolisme al teixit adipós. Per altra banda, vam emprar un model de diabetis de tipus 1 per determinar els efectes de la GK-A456V sobre el fenotip diabètic independentment de la insulina, amb la finalitat de valorar l’activació de la GK hepàtica com a tractament alternatiu als GKAs sistèmics. La sobrexpressió perivenosa de GK, tot i que comportà un increment del metabolisme de glucosa al fetge (increment del glicogen hepàtic, de ub-PFK-2, de L-PK, c-myc) i una disminució de la gluconeogènesi (reducció dels nivells de PEPCK), va provocar dislipidèmia com a resultat de la disminució de la β-oxidació d’àcids grassos (reducció dels nivells de Cpt-1) i una inducció de la lipogènesi hepàtica (augment de FAS, ACC, ChREBP). Altres models de sobrexpressió de GK, descrits a la literatura, que no tenien en compte el concepte de zonació hepàtica, també presentaven alteracions en el metabolisme lipídic. En canvi, l’activació de la GK comportà una rellevant disminució de la hiperglicèmia diabètica tot i tenir un lleu efecte sobre l’activació del metabolisme de glucosa i sobre la inhibició de la gluconeogènesi. Sobretot és interessant que la millora de la hiperglicèmia diabètica no va acompanyada d’alteracions del metabolisme lipídic. En conjunt, aquest treball suggereix que l’activació de la GK exclusivament al fetge és una estratègia terapèutica millor per a la diabetis que la sobrexpressió de la GK.

Synthetic glucokinase activators have been used in the context of type 2 diabetes therapy, mainly for their insulin secretagogue activity. However, the impact of these drugs on liver GK has not been studied in vivo. Since GK activators and activating GK mutations confer identical kinetic properties to GK, we hypothesize that hepatic overexpression of a mutated form of GK, GKA456V, described in a patient with Persistent Hyperinsulinemic Hypoglycemia of Infancy (PHHI), shall mimic the liver-specific effects of GK-activating drugs. GKA456V was overexpressed in the liver of streptozotocin diabetic mice and also in healthy mice. Metabolite profiling in serum and liver extracts, together with key components of glucose and lipid homeostasis, were analyzed and compared to GK wild-type transfected animals. Cell compartmentalization of mutant and wild-type GK was also examined in vivo. In the type 1 diabetic mice, GKA456V overexpression markedly reduced blood glucose in the absence of dislipidemia, in contrast to wild-type GK-overexpressing mice. Enhanced glucose utilization did not correlate with glycogen synthesis or lactate production. PEPCK mRNA was not affected, whereas the mRNA for the catalytic subunit of glucose-6-phosphatase was upregulated ~4-fold in the liver of GKA456V treated animals. Moreover, GKA456V was not translocated to the nucleus after a short fast, confirming that this activating mutation disrupted GKRP regulation. In healthy mice, the overexpression of hepatic GK resulted in insulin resistance. Otherwise, GKA456V overepxressing animals were not insulin resistant. They showed increased mRNA and protein content of the catalytic subunit of glucose-6-phosphatase in the liver, and an idnuction of catabolism in their adipose tissue. Our results validate liver specific GK activation as a strategy for diabetes therapy and provide new insights into the complex GK regulatory network.