Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7271
Die
Signaltransduktionswirkung von Insulin in der adulten Drosophila melanogaster
Susanne Buch
Zusammenfassung
Die Rolle des
Insulin-Signaltransduktionsweges in der Kontrolle der Entwicklung, der
Physiologie und der Lebensdauer eines Organismus wurde in den vergangenen
Jahren eingehend untersucht. Aufgrund seiner evolutionären Konservierung konnte
durch Modellorganismen wie C. elegans, Drosophila und Mus musculus ein
schneller Fortschritt bei der Entschlüsselung von Komponenten dieses
Signalweges gemacht werden. In Drosophila wurden sieben verschiedene Homologe
des Säuger-Insulins identifiziert. Drei der „Drosophila insulin-like
peptides“ (dilps) werden in den medianen neuroendokrinen Zellen des
Gehirns exprimiert. Diese Insulin-produzierenden Zellen (IPCs) senden neuronale
Projektionen in Zellen der Corpora cardiaca. In diesen Zellen wird das
Glucagonhomolog AKH (Adipokinetisches Hormon) produziert, zudem sind sie in der
Lage Insulin zu speichern. Die beiden Zelltypen können als funktionelles
Homolog der A- und B-Zellen des Säuger-Pankreas angesehen werden.
Bisher wurden die Studien in Drosophila an
Mutanten des Insulin-Signaltransduktionsweges und an teilweise IPC-defizienten
Fliegen durchgeführt. In beiden Fällen konnte der beobachtete Phänotyp von
entwicklungsbedingten Defekten und der verminderten Insulin-Signalwirkung
selbst ausgelöst worden sein. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe des spät in der
Entwicklung aktiven dilp3-Promotors und der Apoptose-induzierenden Faktoren RPR
(reaper) und HID (Head involution defective) die IPCs zerstört. Ein larvaler
Phänotyp wie bei den Mutanten des Insulin-Signaltransduktionsweges war nicht zu
beobachten. So war es nun möglich, den Effekt einer verminderten
Insulin-Signalwirkung in Adulten getrennt von entwicklungsabhängigen Effekten
zu betrachten. Es zeigte sich, dass IPC-defiziente Weibchen Probleme haben,
sich unterschiedlichen Nahrungsbedingungen anzupassen. Sie konnten Glycogen und
Körperfett nicht so leicht abbauen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass bei
Fütterung mit proteinreicher und kohlenhydratarmer Nahrung ihre Lebenserwartung
gegenüber den Kontrollen erhöht war. Die Analyse dieser Fliegen mit Hilfe von
cDNS-Microarrays führte zur Identifizierung des „target of brain
insulin“ (tobi), einer α-Glucosidase, die im Darm und im Fettkörper
von Adulten exprimiert wurde. TOBI ist evolutionär konserviert und es existiert
ebenfalls ein menschliches Homolog. Das Transkript der α-Glucosidase wurde
bei verminderter Insulin-Signalwirkung reprimiert, zudem wurde es abhängig von
der Proteinkonzentration in der Nahrung reguliert. Durch die Zerstörung der
AKH-produzierenden Zellen konnte tobi ebenfalls reprimiert werden. Dies zeigte,
dass zusätzlich zu den IPCs auch die AKH-Zellen nötig waren, um das
tobi-induzierende Signal weiterzuleiten. Diese Ergebnisse machen TOBI zu einem
interessanten Zielgen des Insulinsignaltransduktionsweges, besonders seine
mögliche Rolle im Alterungsprozess bedarf einer weiteren Untersuchung.
Effects of insulin signaling in adult Drosophila melanogaster
Abstract
In recent years, the role of insulin signaling (IIS) pathway
in controling organismal development, physiology and longevity has been
investigated in detail. On the basis of its evolutionary conservation fast
progress could be made in the identification of components of IIS-signaling by
the use of model organisms like C. elegans, Drosophila and Mus musculus. In
Drosophila, seven different homologues of mammalian insulin have been
identified. Three of the the so-called „Drosophila insulin-like
peptides“ (dilps) are expressed in median neurosecretory cells in the
brain. Those insulin-producing cell (IPCs) send neuronal projections in cells
of the corpora cardiaca where the the homologue of glucagon, AKH (adipokinetic
hormone) is produced. In addition, the AKH-cells are able to store insulin.
Those two cell-types are considered as a functional homologue of A- and B-cells
of mammalian pancreas.
So far, studies in Drosophila have been performed on mutants of
IIS-signaling and on partially IPC-deficient flies. In both cases, the
phenotype observed could be triggered by developmental defects and by
insulin-deficiency itself. In this thesis, IPCs have been destroyed using
dilp3-promoter, which becomes active late during larval development, and the
apoptosis-inducing factors RPR (reaper) and HID (head involution defective).
Unlike in IIS-signaling mutants, no larval phenotype could be observed. Due to
this, it was now possible to study the effect of reduced IIS-signaling in
adults independent of developmental defects. It was apparent, that
IPC-deficient female flies have problems in adapting to different nutrient
conditions. They could not break down glycogen and body fat as easily.
Additionally, when fed with a protein-rich and carbohydrate-poor diet, they
lived longer than the controls. cDNA-microarray analysis of those flies led to
the identification of a gene named „target of brain insulin“
(tobi), which is a α-glucosidase, that is expressed in gut and fat body of
adult flies. TOBI is evolutionarily highly conserved and additionally a human
homologue exists. tobi-transcript is repressed under reduced IIS-signaling;
furthermore, its regulation is dependent on protein concentration of the diet.
By destroying AKH-producing cells, tobi was repressed as well. This showed that
AKH-cells, in addition to the IPCs, are required to process the tobi-inducing
signal. These results make tobi a interesting target gene of IIS-signaling and
especially its putative role in aging process deserves a closer investigation.
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