$\beta$-cells play an important role in the pathogenesis of diabetes. Serotonin is well known as a neurotransmitter, but it has recently been shown to play an important role in energy metabolism in the body. Serotonin is involved in $\beta$-cell proliferation and insulin secretion during pregnancy.
In this study, we investigated the mechanism of serotonin synthesis in $\beta$-cell of $\beta$-cell specific transgenic mouse, which is commonly used in the field of $\beta$-cell research. $RIP-Cre^{Mgn}$, MIP-GFP, and MIP-Cre/ERT produced serotonin in $\beta$-cell. It was confirmed that the human growth hormone gene introduced to increase the gene expression in the gene design process of the transgenic mouse was different from the intention. The human growth hormone synthesized in the $\beta$-cells activated the Jak2-Stat5 signaling pathway by binding to prolactin receptors in mouse $\beta$-cell. The phosphorylated Stat5 formed a dimer and entered into the nucleus to induce tryptophan hydroxylase (Tph1). This process was confirmed by prolactin receptor and Stat5 $\beta$-cell specific knock out mice. In addition, Cre mouse driven by an insulin promoter except the human growth hormone gene was newly developed.
During the study, I found that protective effect of serotonin against $\beta$-cell death. $\beta$-cells of $RIP-Cre^{Mgn}$ mice, in which serotonin is continuously synthesized, were resistant to streptozotocin and alloxan, which caused $\beta$-cell specific cell death. In addition, I found that AKITA mouse model, which is a diabetes model that caused $\beta$-cell death by increasing the ER stress of $\beta$-cells, also showed resistance. These results suggest that serotonin protects $\beta$-cells against ER stress and oxidative stress. 5-HTP, a precursor of serotonin, decreased cell death by hydrogen peroxide in MIN6 cells. In the DCF-DA assay, the amount of reactive oxygen species in the $\beta$-cells was reduced by 5-HTP treatment. On the other hand, the expression levels of Sod, Gpx and Cat, which were known to eliminate reactive oxygen species, were not significantly changed. These findings suggest that serotonin directly acts on the removal of reactive oxygen species in the $\beta$-cells.
This study demonstrated the problems of transgenic mice commonly used for $\beta$-cell study and to develop new mice which had improved them. In the process, I found that serotonin relieves oxidative stress in $\beta$-cells. This study demonstrated that serotonin has a protective effect on $\beta$-cells and suggested the possibility of improving $\beta$-cells function using serotonin.
인슐린을 분비하는 베타세포는 당뇨병의 발병에 중요한 역할을 가진다. 세로토닌은 신경전달물질로 잘 알려져 있으나, 최근 체내 에너지 대사와 관련하여 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있다. 베타세포에서 세로토닌은 임신 때 베타세포 증식과 인슐린 분비 촉진에 관여하고 있다.
본 연구에서는 베타세포 연구 분야에서 일반적으로 쓰이는 형질 전환 마우스의 베타세포에서 세로토닌이 합성되는 문제점을 발견하고 그 기전을 규명하였다. $RIP-Cre^{Mgn}$, MIP-GFP, and MIP-Cre/ERT의 베타세포에서 세로토닌이 합성되고 있음을 확인하였다. 이는 형질전환 마우스의 유전자 설계과정에서 유전자 발현을 증가시키기 위해 도입한 인간성장호르몬 유전자가 의도와는 달리 발현함으로써 나타난 현상임을 확인하였다. 베타세포에서 합성된 인간성장호르몬은 마우스 베타세포의 프로락틴 수용체에 결합하여 Jak2-Stat5 신호전달 기전을 활성화시켰고, 인산화 된 Stat5는 이합체를 형성하여 핵 내부로 들어가 세로토닌 합성 효소인 트립토판 수산화효소 (Tph1)의 발현을 증가시켰다. 이 과정을 프로락틴 수용체와 Stat5 베타세포 선택적 녹아웃 마우스를 통해 확인하였으며, 인간성장호르몬 유전자를 제외한 인슐린 프로모터에 의해 작동하는 Cre 마우스를 새로 제작하였다.
상기 연구를 수행 중 세로토닌이 베타세포 사멸을 막아주는 현상을 발견하였다. 세로토닌이 지속적으로 합성되는 $RIP-Cre^{Mgn}$ 마우스가 베타세포 선택적 세포사를 일으키는 스트렙토조토신과 알록산에 저항성을 보이는 것을 관찰하였다. 또한 베타세포의 ER 스트레스를 증가시켜 베타세포 사멸을 일으키는 당뇨병 모델인 AKITA 마우스 모델에서도 저항성을 보임을 확인하였다. 상기 결과를 통해 세로토닌이 베타세포 스트레스 상황에서 보호 작용이 있음을 확인하고, 대표적인 베타세포 스트레스 기전인 ER 스트레스와 산화적 스트레스에 대한 세로토닌의 보호 작용이 있음을 가설로 세워 확인해 보았다. 마우스 베타세포 주인 MIN6에 세로토닌의 전구물질인 5-HTP를 처리한 결과 과산화수소에 의한 세포 사멸이 줄어듬을 관찰하였으며, DCF-DA 실험에서 실제 베타세포 내부의 활성산소종이 5-HTP 처리에 의해 줄어드는 것을 확인하였다. 반면 활성산소종을 제거하는 것으로 알려진 Sod, Gpx, Cat의 발현량은 큰 변화가 없음을 확인하였다. 이는 베타세포 내부의 활성산소종 제거에 세로토닌이 직접적으로 작용하였음을 시사한다.
본 연구는 베타세포 연구에 보편적으로 사용되는 형질전환 마우스의 문제점을 규명하고 이를 개선한 새로운 마우스를 만들었으며, 그 과정에서 세로토닌이 베타세포에서 산화적 스트레스를 경감시킴을 확인하였다. 본 연구는 세로토닌이 베타세포에 보호 효과가 있음을 규명하였으며, 세로토닌을 이용한 베타세포 기능 개선의 가능성을 제시하였다.
