FÜR EINEN TANGO BRAUCHT ES ZWEI - ICA512-INSULIN-KONDENSATION BEI DER SORTIERUNG UND DEM TRANSPORT ZUM SEKRETORISCHEN GRANULA

ICA512 oder IA-2, auch als Typ-1-Diabetes-Autoantigen bekannt, ist ein intrinsisches Granulaprotein, das an der Regulierung der Biosynthese und des Umsatzes der insulinsekretorischen Granula in den Betazellen der Bauchspeicheldrüse beteiligt ist. Der Wegfall von ICA512/IA-2 aus den Betazellen führt zu einer Verringerung der insulinsekretorischen Granulaspeicher. Nun haben sich Forscher des Paul-Langerhans-Instituts Dresden mit Wissenschaftlern aus dem Labor von Prof. Dr. Mario Ermácora von der Universidad Nacional de Quilmes in Argentinien zusammengetan, um die molekularen Grundlagen der regulierten Sortierung in Betazellen der Bauchspeicheldrüse zu untersuchen. Das Ergebnis dieser Studie wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift "Protein Science" veröffentlicht.

ICA512/IA-2 und Phogrin/IA-2beta sind Multidomänen-Rezeptor-ähnliche Protein-Tyrosin-Phosphatasen. Beide Proteine werden in Betazellen und anderen Peptid-sezernierenden neuroendokrinen Zellen exprimiert, wo sie sich in der Membran der sekretorischen Granula (SGs) anreichern. In den Betazellen der Bauchspeicheldrüse sind ICA512 und Phogrin an der Biogenese und dem Umsatz der Insulin-SGs beteiligt, und ihre Abnahme, entweder allein oder in Kombination, führt zu einer Verringerung der intrazellulären Insulin-SG-Vorräte.

ICA512 besteht aus einer ausgedehnten luminalen Region, einer Single-Pass-Transmembranregion und einer zytoplasmatischen Domäne. Interessanterweise umfasst das N-terminale luminale Segment von ICA512 (und auch das von Phogrin) eine Region, die einem anderen Protein namens Resp18 (Regulated endocrine specific protein) ähnelt. Sowohl die Expression von ICA512 als auch die von Resp18 ist unter Bedingungen erhöht, die die SG-Biogenese in Betazellen stimulieren, wie z. B. die Stimulierung durch hohe Konzentration von Glukose.

"Unsere spannende, langjährige wissenschaftliche Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Dr. Mario Ermácora konzentrierte sich zunächst auf struktur- und funktionsorientierte Untersuchungen zur Rolle der luminalen Region von ICA512. Insbesondere interessierten wir uns für die Funktion eines Abschnitts von ICA512 bei der Bildung von Kondensaten im Nanomaßstab. Diese sogenannte RESP18-Homologiedomäne ist ein einzigartiger Abschnitt der gleich in drei Proteinen zu finden ist, nämlich Resp18, ICA512 und Phogrin. Wir konnten zeigen, dass die ICA512-Resp18-Homologiedomäne potenziell für die charakteristische fortschreitende pH-abhängige Reifung von SGs durch Ko-Kondensation mit dem Insulin entlang des sekretorischen Weges in Betazellen verantwortlich ist", erklärt Juha Torkko, Senior Scientist am Paul-Langerhans-Institut von Helmholtz Munich am Universitätsklinikum und der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden, der als Koautor an der Studie beteiligt war. "Die aktuelle Arbeit erweitert die Ergebnisse unserer früheren Arbeit, da wir zeigen konnten, dass der luminale ICA512-RESP18-Abschnitt sowohl Proinsulin als auch Insulin ko-kondensiert, was auf einen Mechanismus hindeutet, der die beiden Proteine frühzeitig am endoplasmatischen Retikulum sortiert und so zu reifem membrangebundenem Insulin SG determiniert."

Die durchgeführte Studie zeigte zum ersten Mal, dass die nanoskalige Selbstkondensation von Proinsulin bei nahezu neutralem pH-Wert stattfindet, ähnlich wie in den frühen Kompartimenten des sekretorischen Weges, dem Endoplasmatischen Reticulum (ER) und Golgi-Apparat. Die in der Studie gezeigte intrinsische Fähigkeit von Proinsulin, Kondensate zu bilden, impliziert eine Schlüsselrolle für Chaperonproteine für die koordinierte Faltung gegenüber der Kondensation bei nahezu neutralem pH-Wert und bis zur Bildung von Disulfidbindungen und dem ER-Austritt, um die Insulin-SG-Biogenese in Betazellen voranzutreiben.

"Beeinträchtigungen der Menge des synthetisierten Proinsulins wurden sowohl mit Typ-1- als auch mit Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht. Ein besseres Verständnis der Faktoren, die für die Insulinbiosynthese erforderlich sind und die für die korrekte Faltung und Funktion von Proinsulin wesentlich sind, bietet möglicherweise neue Einblicke in die Pathogenese aller Formen von Diabetes", fasst Prof. Dr. Michele Solimena, einer der Seniorautoren der Studie und Direktor des Paul-Langerhans-Instituts von Helmholtz Munich am Universitätsklinikum und der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden zusammen.

Originalpublikation:

Toledo PL, Vazquez DS, Gianotti AR, Abate MB, Wegbrod C, Torkko JM, Solimena M, Ermácora MR. Condensation of the β-cell secretory granule luminal cargoes pro/insulin and ICA512 RESP18 homology domain. Protein Sci. 2023 May 9. doi: 10.1002/pro.4649.