Expressió de glucoquinasa en múscul esquelètic: efecte en la contrarestació de la diabetis mellitus

Abstract

La diabetis mellitus és una malaltia metabòlica molt freqüent, que comprèn una gran varietat de síndromes amb diferents etiologies i afecta en total a un 2-7% de la població mundial. Aquesta malaltia es caracteritza, bàsicament, per una hiperglucèmia deguda a la manca d'insulina o bé a una alteració en l'acció de l'hormona. Al nostre laboratori estem desenvolupant aproximacions per reduir la hiperglucèmia diabètica mitjançant la manipulació genètica de teixits extrapancreàtics per tal que captin glucosa. Per comprovar in vivo la validesa d'aquestes aproximacions hem dut a terme estudis en diferents models d'animals transgènics i genosuprimits.<br/>El múscul esquelètic és el principal teixit implicat en la captació de glucosa sanguínia després d'una ingesta, eliminant al voltant d'un 75% del sucre. El teixit muscular capta glucosa per difusió facilitada de forma dependent i independent de la insulina. Per tant, com a conseqüència de la manca d'insulina en la diabetis tipus 1 o de la resistència a l'hormona en la diabetis tipus 2, el múscul esquelètic és incapaç de captar glucosa de la sang.<br/>En el nostre laboratori s'havien generat ratolins transgènics que expressen l'enzim hepàtic glucoquinasa en múscul esquelètic. Aquests ratolins presenten un increment en la captació i utilització de la glucosa, però romanen hiperglucèmics en alimentació després del tractament amb STZ. Aquest fet podria ser degut a una alteració en el transport de la glucosa cap a l'interior de la cèl.lula muscular. Així, en aquest treball hem obtingut ratolins transgènics que expressen ambdós, el transportador GLUT2 i l'enzim GK, en múscul esquelètic, amb la finalitat d'incrementar el transport i la fosforilació de la glucosa. Això es va realitzar per tal d'estudiar si la coexpressió d'aquestes proteïnes resultava en una normalització de la hiperglucèmia diabètica. No obstant, els resultats obtinguts indiquen que l'expressió de GLUT2 en múscul esquelètic de ratolins MLC/GK tractats amb STZ no millora els resultats obtinguts amb ratolins que expressen únicament GK a múscul. En canvi, i contràriament als ratolins control diabètics, hem demostrat que petites dosis d'insulina exògena permeten aconseguir una normalització de la glucèmia en animals diabètics que expressen GK en múscul esquelètic.<br/>Per altra banda, també s'han manipulat cèl.lules musculars en cultiu per tal que expressin l'enzim GK i estudiar si el transplantament d'aquestes cèl.lules a ratolins tractats amb STZ permet aconseguir una contrarrestació o una prevenció de la hiperglucèmia diabètica. Els resultats presentats en aquesta memòria mostren que els mioblasts C2C12 que expressen GK presenten un increment en la captació de glucosa de forma dependent de la concentració extracel.lular del sucre. Així, quan aquestes cèl.lules són transplantades a ratolins tractats amb STZ, els animals presenten una disminució de la hiperglucèmia diabètica degut a un increment en la captació i utilització de la glucosa per part de l'implant. Per tant, això podria constituir una aproximació ex vivo per tal d'incrementar l'eliminació de glucosa sanguínia en la diabetis tipus 1.<br/>Les causes de l'aparició de diabetis tipus 2 encara són desconegudes, però es creu que interaccionen la susceptibilitat genètica i una sèrie de factors ambientals, principalment la dieta i l'activitat física. En el present estudi hem investigat l'efecte de l'expressió de GK en múscul esquelètic de ratolins models de resistència a la insulina. Per dur a terme això hem utilitzat dues aproximacions diferents: per una banda, s'ha expressat GK en múscul esquelètic d'un model de resistència a la insulina obtingut per combinació d'una alteració genètica a la via de senyalització de l'hormona, concretament una genosupressió parcial de l'IRS-1 (IRS-1+/-), juntament amb una dieta d'alt contingut en lípids. Per altra banda s'ha electrotransferit in vivo el gen de la GK a múscul esquelètic d'animals IRS-1-/-, un model de resistència a la insulina sense obesitat prèviament descrit i caracteritzat (Araki, 1994; Tamemoto, 1994). Així, els resultats obtinguts en aquesta part de l'estudi suggereixen que l'expressió de GK en múscul esquelètic permetria una millora en la sensibilitat a la insulina en aquests dos models de resistència a l'hormona. Per tant, l'expressió de GK en múscul esquelètic també podria resultar una bona aproximació per tal d'incrementar la captació de glucosa i incrementar la sensibilitat a la insulina en la diabetis tipus 2.

Diabetes mellitus is the most common of all metabolic disorders, and comprises a great variety of disorders with different aetiologies. This disorder is mainly characterized by hyperglycemia due to a lack of insulin or a defect in insulin activity in peripheral tissues. Increased glucose disposal by tissues engineered to express key regulatory genes in glucose transport or phosphorylation can reduce diabetic hyperglycemia. To investigate this approach in vivo, we performed studies in different transgenic and knock-out animal models. <br/>Skeletal muscle is the major site for insulin-mediated whole-body glucose disposal and it has been stimated to account for about 75% of glucose uptake after a meal. To reduce or delay the development of secondary complications, diabetic hyperglycemia might be decreased by engineering skeletal muscle to increase glucose transport and/or glucose phosphorylation. <br/><br/>In our laboratory, transgenic mice expressing glucokinase in skeletal muscle were obtained. These mice showed an increase in glucose uptake and utilization, and a partial reduction in diabetic hyperglycemia after streptozotocin-treatment, but glucokinase expression did not restore normal glycemia. A decrease in glucose transport might impair glucokinase-induced glucose phosphorylation in these animals. Here we examined whether the expression of the glucose transporter 2 (GLUT2) in skeletal muscle increases glucose uptake and counteracts diabetic hyperglycemia. To this end, transgenic mice expressing both glucokinase and GLUT2 genes in skeletal muscle were obtained. However, our results showed that GLUT2 expression in skeletal muscle doesn't increase glucose uptake in streptozotocin-treated transgenic mice expressing glucokinase. Furthermore, injection of low doses of soluble insulin to fed streptozotocin-treated GLUT2/glucokinase-expressing or glucokinase-expressing mice restored normoglycemia, indicating that these mice were more sensitive to the hormone treatment as the streptozotocin-treated control diabetic mice. <br/>Furthermore, here we examined whether genetically manipulated glucokinase (GK)-expressing muscle cells could remove excess glucose from blood, without causing hypoglycemia, as a new ex vivo gene therapy approach to diabetic hyperglycemia. After streptozotocin treatment, mice transplanted with GK-expressing myotubes counteracted hyperglycemia, whereas mice transplanted with control myotubes developed diabetes. These results suggest that the use of GK-expressing myotubes may be a suitable approach to reduce diabetic hyperglycemia.<br/>Although the aetiology of type 2 diabetes is unclear, both genetic factors and environmental factors (high-energy diets combined with a sedentary lifestyle) seem to contribute to the onset of this disease. In type 2 diabetes, glucose phosphorylation, a regulatory step in glucose utilization by skeletal muscle, is impaired. Here we investigated the effect of GK expression in skeletal muscle in insulin resistance animal models. To this aim, we have studied two different approaches:first, we expressed GK in skeletal muscle in an insulin resistance animal model obtained by combining a genetic alteration in insulin's signal transduction pathway (a targeted partial disruption of the IRS-1 gene, IRS-1+/-), with a high fat diet. Furthermore, GK gene was electrotransfered invivo to skeletal muscle of IRS-1-/- knock-out mice, an insulin resistance animal model without obesity which was previously described and characterized (Araki, 1994; Tamemoto, 1994). Our results indicate that the increase in glucose phosphorylation by GK gene expression in skeletal muscle may lead to an increase in insulin sensitivity in this two different animal models. Therefore, GK expression in skeletal muscle may be a therapeutic approach to increase glucose uptake and to improve insulin sensitivity in type 2 diabetes.