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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