인슐린에 의한 흰쥐 췌장 베타세포의 인슐린 분비 자가조절

Abstract

고농도의 포도당이 체내에 들어오면 췌장 베타세포에서 호기성 대사가 이뤄져 세포질내에 있는 ATP/ADP 비율이 높아지고, ATP-민감성 칼륨통로 (KATP channel)가 닫힌다. 따라서 세포막이 탈분극되어 전압 의존성 칼슘통로가 열려 칼슘의 유입이 일어나며, 이로 인해 인슐린의 분비가 일어나게 된다. 췌장 베타세포의 인슐린 분비는 혈중 포도당 농도를 일정 범위에서 조절함으로써 포도당의 항상성을 유지하는 기본이 된다. 골격근 및 지방 조직은 인슐린에 의존적으로 포도당을 제거하는 대표적 조직으로서 인슐린 기능의 말초 표적 세포이다. 췌장 베타세포에서 분비된 인슐린은 또한 췌장 베타세포막의 인슐린수용체에 직접 결합하여 일종의 자가분비(autocrine) 또는 주변분비(paracrine) 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이에 본 실험은 인슐린이 인슐린 분비 세포인 췌장 베타세포의 인슐린 분비에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 하였다. 췌장 베타세포에 cell-attached patch clamp technique을 시행하여 KATP channel의 활성도를 측정하였다. 세포외액에 10 mmol/L 포도당을 투여하였을 때 KATP channel의 활성은 점진적으로 감소하였다. 인슐린을 미리 전처치 한 후 10 mmol/L 포도당을 세포외액에 투여하였을 때에는 KATP channel의 활성 감소의 속도가 현저히 감소하였다. Phosphatidylinositol (PI)3-kinase의 억제제인 LY294002를 투여하였을 때 인슐린의 효과는 유의하게 감소되었다. Fura-2 dye를 이용한 세포내 칼슘 농도 측정에서 insulin의 전처치는 포도당에 의한 베타세포 세포질내의 칼슘 농도 증가 반응을 유의하게 억제하였다. 인슐린의 억제 효과는 LY294002의 전처치에 의해 유의하게 감소하였으나 대조적으로, 포도당의 세포외액 투여로 인해 야기되는 KATP channel의 활성 감소와 칼슘 농도 증가 반응은 포도당에 이어 투여한 인슐린에 의해 더욱 현저하였다. 이러한 인슐린의 효과는 PLC-γ inhibitor인 U73122나 세포질 그물망 Ca^(2+) pump 억제제인 thapsigargin에 의해 억제되었다. 또한 고농도의 포도당에 의해 베타세포의 세포막 활동전위가 증가하는바, 인슐린을 전처치하였을 때는 활동전위의 탈분극의 정도가 약해지는 것을 볼 수 있었다. 반대로 고농도의 포도당을 먼저 준 후 인슐린을 주었을 때는 활동 전위의 변화가 더 커져 활동전압 빈도수가 유의하게 증가하였다. 본 실험의 결과로 미루어 포도당의 혈중 농도가 낮을 때는 췌장 베타세포의 인슐린수용체의 작용이 포도당에 의한 인슐린 분비 기전을 PI3-kinase 경로를 통해 억제하며, 포도당의 혈중 농도가 높을 때는 PLC-γ 및 IP3 경로를 통해 포도당에 의한 인슐린 분비 기전을 항진 시키는 것으로 사료된다. Insulin secreted by pancreatic beta cells is the primary regulator of serum glucose concentrations. Insulin also binds to insulin receptors on the beta cell membrane. This study was attempted to evaluate regulatory mechanisms of insulin secretion by insulin in rat pancreatic beta cells. High glucose applied extracellulary reduced beta-cell KATP channel activity and increased cytosolic Ca^(2+) concentration ([Ca^(2+)]c). But in the presence of insuln, the glucose-stimulated reduction of KATP channel activity and [Ca^(2+)]c elevation was attenuated. LY294002, a phosphatidylinositol (PI) 3-kinase inhibitor, significantly blocked the negative insulin effect. In contrast, by insulin treatment followed by high glucose stimulation glucose-induced KATP channel activity reduction and [Ca^(2+)]c increasing responses were markedly enhanced. This effect of insulin were greatly attenuated by pretreatmant with U73122, a PLC-γ inhibitor, or thapsigargin, an endoplasmic reticulum Ca^(2+) pump (SERCA) inhibitor. The membrane potential was less hypopolarized inresponse to high glucose in the presence of insulin, whereas it was further hypopolarized while exposed to insulin followed by high glucose. These results suggest that modulation of insulin-induced insulin secretion can be switched with PI3-kinase or PLC-γ pathway. The preferential selection may be determined by beta-cell glucose availability at time insulin receptors bind insulin.