Part 1. Functional Role of Serotonin in Insulin Secretion in a Diet-Induced Insulin
Resistant State
The physiological role of serotonin in pancreatic β cell function was previously elucidated using a pregnant mouse model. During pregnancy, 5-HT (5-Hydroxytryptamine, serotonin) increases β cell proliferation and glucose-stimulated insulin secretion through the Gαq-coupled 5-HT2b receptor (Htr2b) and the 5-HT3 receptor (Htr3), a ligand-gated cation channel, respectively. However, the role of 5-HT in
an insulin resistant state has yet to be elucidated. Here, we characterized the metabolic phenotypes of β cell-specific Htr2b-/- (Htr2b βKO), Htr3a-/- (Htr3a KO) and β cell-specific Tph1-/- (Tph1 βKO) mice on a high-fat diet (HFD). Htr2b βKO, Htr3a KO and Tph1 βKO mice exhibited normal glucose tolerance on a standard chow diet (SCD). After 6 weeks on an HFD, beginning at 4 weeks of age, both Htr3a KO and Tph1 βKO mice developed glucose intolerance, but Htr2b βKO mice remained normoglycemic. Pancreas perfusion assays revealed defective first phase insulin secretion in Htr3a KO mice. Glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) was impaired in islets isolated from HFD-fed Htr3a KO and Tph1 βKO mice, and 5-HT treatment improved insulin secretion from Tph1 βKO islets but not from Htr3a KO islets. Tph1 and Htr3a gene expression in pancreatic islets was not affected by an HFD, and immunostaining could not detect 5-HT in pancreatic islets from mice fed an HFD. Taken together, these results demonstrate that basal 5-HT levels in β cells play a role in glucose-stimulated insulin secretion through Htr3, which becomes more evident in a diet-induced insulin resistant state.
Part 2. Role of Serotonin in β Cell Development and Proliferation
The synthesis of 5-HT in pancreatic β cells during perinatal period was previously reported. However, the role of 5-HT in this period has not been elucidated yet. Here, we characterized the phenotype of pancreas specific Tph1-/- (Tph1 PKO) mice. We induced the knockout of Tph1 during perinatal period by injecting tamoxifen into Pdx-CreER;Tph1 fl/fl mice. Tph1 PKO mice showed disruption of islet structure in which glucagon+ cells penetrated into islet center. In addition, Tph1 PKO islets exhibited abnormal expression of Nkx6.1 and Glut2 which are important for physiological β cell function. These results suggest that 5-HT in pancreatic β cells during perinatal period may regulate β cell development, islet formation and β cell maturation. Further studies will clarify the role of 5-HT during perinatal period.
Part 1. Functional Role of Serotonin in Insulin Secretion in a Diet-induced Insulin
Resistant State
임신 중 췌장 베타세포 기능 조절에 있어 세로토닌의 생리학적인 역할은 이미 밝혀진 바가 있다. 임신 중 베타세포에서 합성된 세로토닌 (5-Hydroxytryptamine, serotonin)은 Gαq 단백질 연결 수용체인 세로토닌 수용체 2b (Htr2b)를 통해 베타세포 증식을 조절하고, 리간드 개폐 양이온 통로인 세로토닌 수용체 3 (Htr3)를 통해 인슐린 분비를 조절하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 고지방식이에 의한 인슐린 저항성 상태에서 세로토닌이 베타세포의 기능 조절에 어떠한 역할을 하는지는 아직까지 밝혀진 바가 없다.
따라서, 우리는 본 연구를 통해 1)고지방식이에 의한 인슐린 저항성 상태에서 췌장 베타세포 내의 세로토닌 합성이 증가되는지, 2)인슐린 저항성을 극복하는 과정에서 세로토닌이 베타세포에 어떠한 역할을 하는지 밝히고자 하였다.
이를 위해 베타세포 특이적인 Htr2b 낙아웃 마우스 (Htr2b βKO), Htr3a 낙아웃 마우스 (Htr3a KO) 그리고 베타세포 특이적인 Tph1 낙아웃 마우스 (Tph1 βKO)에 고지방 식이 (high fat diet)를 섭취 시킨 후 대사 표현형을 분석하였다. 6주간 고지방 식이를 섭취한 Htr3a KO와 Tph1 βKO 마우스 모두 당 불내성 (glucose intolerance)을 보이는 것을 관찰하였고, 이것이 췌장 베타세포의 인슐린 분비 장애에 의한 것임을 확인할 수 있었다. 더 나아가 췌도 (pancreatic islets)에 세로토닌을 처리하였을 때, Htr3a KO 췌도는 인슐린 분비능을 회복하지 못하였지만, Tph1 βKO 췌도는 인슐린 분비능을 회복하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 고지방 식이에 의한 세로토닌 합성 증가는 췌장 베타세포는 물론, 혈중에서도 관찰되지 않았다.
본 연구를 통해 췌장 베타세포에서 기본적으로 생성되는 세로토닌이 Htr3를 통하여 인슐린 분비를 조절하는데 중요한 역할을 하며, 고지방식이에 의한 인슐린 저항성 상태에서 이러한 세로토닌의 역할이 더욱 중요해짐을 규명하였다. 흥미로운 점은 고지방 식이를 섭취한 Htr3a KO 마우스의 췌장 베타세포가 제1기 인슐린 분비 (first phase insulin secretion) 장애를 가지고 있다는 점이다. 일반적으로 당뇨병 환자에서 제 1기 인슐린 분비 장애가 관찰됨을 생각할 때 Htr3 수용체가 당뇨병의 병인과도 밀접한 관련이 있을 것으로 예상되며, 향후 추가적인 연구가 필요하겠다.
Part 2. Role of Serotonin in β Cell Development and Proliferation
주산기 시기 (perinatal period)에 췌장 베타세포에서 세로토닌이 합성된다는 사실은 이미 보고된 바가 있지만, 그 역할에 대해서는 아직 연구되지 않았다. 최근 한 연구를 통해 주산기 시기에 자율신경계에서 분비되는 노르에피네프린 (norepinephrine)이 췌장 베타세포의 이동 (β cell migration), 췌도 형성 (islet formation) 그리고 베타세포 성숙 (β cell maturation)에 중요하다는 것이 알려졌다. 세로토닌 역시 노르에피네프린과 유사한 신경전달물질 (neuro transmitter)임을 고려할 때, 주산기 시기에 췌장 베타세포에서 생성된 세로토닌이 베타세포의 이동, 췌도 형성 그리고 베타세포 성숙에 중요한 역할을 할 가능성이 높다고 생각된다.
주산기 시기 세로토닌의 역할을 규명하기 위해서 췌장 특이적 Tph1 낙아웃 마우스 (Tph1 PKO)를 제작하고, 이 마우스 췌장을 분석하였다. 흥미롭게도 Tph1 PKO 마우스는 비정상적인 췌도 구조를 보였는데, 일반적으로 변연부에 위치하는 글루카곤 발현 세포들이 췌도 내부에 위치하고, 그 숫자도 증가한 것으로 관찰되었다. 또한, 성숙한 베타세포 마커인 Nkx6.1 그리고 혈당 인지에 중요한 Glut2 발현에 문제가 있는 것으로 확인되었다. 이러한 결과들을 종합해볼 때 주산기 시기에 췌장 베타세포에서 생성되는 세로토닌이 베타세포 발생 및 이동 과정, 췌도 형성, 베타세포 성숙 등을 조절하는 중요한 물질인 것으로 생각된다. 향후 추가적인 연구를 통해 규명하는 것이 필요하겠다.
