Glucotoxicity promotes aberrant activation and mislocalization of Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1 [Rac1] and metabolic dysfunction in pancreatic islet β-cells: reversal of such metabolic defects by metformin

Abstract

Emerging evidence suggests that long-term exposure of insulin-secreting pancreatic β-cells to hyperglycemic [HG; glucotoxic] conditions promotes oxidative stress, which, in turn, leads to stress kinase activation, mitochondrial dysfunction, loss of nuclear structure and integrity and cell apoptosis. Original observations from our laboratory have proposed that Rac1 plays a key regulatory role in the generation of oxidative stress and downstream signaling events culminating in the onset of dysfunction of pancreatic β-cells under the duress of metabolic stress. However, precise molecular and cellular mechanisms underlying the metabolic roles of hyperactive Rac1 remain less understood. Using pharmacological and molecular biological approaches, we now report mistargetting of biologically-active Rac1 [GTP-bound conformation] to the nuclear compartment in clonal INS-1 cells, normal rat islets and human islets under HG conditions. Our findings also suggest that such a signaling step is independent of post-translational prenylation of Rac1. Evidence is also presented to highlight novel roles for sustained activation of Rac1 in HG-induced expression of Cluster of Differentiation 36 [CD36], a fatty acid transporter protein, which is implicated in cell apoptosis. Finally, our findings suggest that metformin, a biguanide anti-diabetic drug, at a clinically relevant concentration, prevents β-cell defects [Rac1 activation, nuclear association, CD36 expression, stress kinase and caspase-3 activation, and loss in metabolic viability] under the duress of glucotoxicity. Potential implications of these findings in the context of novel and direct regulation of islet β-cell function by metformin are discussed.

RACking up ceramide-induced islet β-cell dysfunction

“…Recent investigations from our laboratory have implicated sustained activation of Rac1 in metabolic dysregulation in clonal β-cells, normal rodent islets and human islets exposed to glucolipotoxic conditions [29,30,41–43,50–52]. Further, we also identified Nox2 as one of the target proteins, which is regulated by Rac1.…”

Spontaneous and activation-induced apoptosis of peripheral blood mononuclear cells in the pathogenesis of type 1 diabetes mellitus

“…Этот механизм апоптоза β-клеток является универсальным при СД-1, независимо от продолжительности заболевания и состояния компенсации углеводного обмена [26,30,31]. Гипергликемия, являясь мощным индуктором апоптоза практически в любых тканях, в том числе в островковой ткани поджелудочной железы, помимо цитокин-опосредованного апоптоза, инициирует апототическую гибель β-клеток за счет индукции окислительного и метаболического стресса, ER-стресса (стресса эндоплазматического ретикулума), избыточной генерации ROS (активных форм кислорода), повышения экспрессии гликопротеина CD36 (Fatty Acid Transporter Protein -белок-переносчик жирных кислот), непосредственно участвующего в клеточно-опосредованном апоптозе β-клеток [11,28]. Согласно данным последних экспериментальных исследований, хроническая гипергликемия не только вызывает устойчивую активацию сигнального каскада Rac1 (Ras-связанный субстрат 1, малый G-белок) → Nox2 (НАДФН оксидаза 2) → p38MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа р38) → p53 → caspase-3 с реализацией апоптоза β-клеток по митохондриальному пути, но и увеличивает скорость апоптоза β-клеток, что приводит к нарушению их эффероцитоза [11,28,31].…”

“…Гипергликемия, являясь мощным индуктором апоптоза практически в любых тканях, в том числе в островковой ткани поджелудочной железы, помимо цитокин-опосредованного апоптоза, инициирует апототическую гибель β-клеток за счет индукции окислительного и метаболического стресса, ER-стресса (стресса эндоплазматического ретикулума), избыточной генерации ROS (активных форм кислорода), повышения экспрессии гликопротеина CD36 (Fatty Acid Transporter Protein -белок-переносчик жирных кислот), непосредственно участвующего в клеточно-опосредованном апоптозе β-клеток [11,28]. Согласно данным последних экспериментальных исследований, хроническая гипергликемия не только вызывает устойчивую активацию сигнального каскада Rac1 (Ras-связанный субстрат 1, малый G-белок) → Nox2 (НАДФН оксидаза 2) → p38MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа р38) → p53 → caspase-3 с реализацией апоптоза β-клеток по митохондриальному пути, но и увеличивает скорость апоптоза β-клеток, что приводит к нарушению их эффероцитоза [11,28,31]. Таким образом, полученные нами результаты о максимальном повышении спонтанного и индуцированного апоптоза лимфоцитов периферической крови при декомпенсации СД-1 объясняются не только влиянием гипергликемии, но и вторичным иммунным ответом на так называемые «поздние апоптотические» или «вторичные некротические» β-клетки вследствие их неэффективного фагоцитарного клиренса [27,31].…”

“…У больных с гипергликемией (IIа и IIб группы) достоверное повышение процента гиподиплоидных клеток по сравнению с больными в состоянии компенсации СД-1 (IIIа и IIIб группы) и контрольной группой (I группа) наблюдалось сразу после выделения клеток (0 часов инкубации), что позволяет предположить наличие зависимости между уровнем гликемии и интенсивностью спонтанного апоптоза у больных СД-1. Согласно данным литературы, хроническая гипергликемия индуцирует р53опосредованный апоптоз клеток-мишеней, который реализуется через активацию эффекторной каспазы-3 [11,28].…”

Autophagy-induced degradation of Notch1, achieved through intermittent fasting, may promote beta cell neogenesis: implications for reversal of type 2 diabetes

“…However, the transcriptional activity of ChREBP can be opposed by AMPK), the key target of the antidiabetic agents metformin and berberine 110 111. Hence, in addition to quelling excessive hepatic glucose output, metformin and berberine can aid diabetic control by opposing beta cell Txnip activity and hence countering glucotoxicity 112 113…”