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Das Pankreas ist die quer im Oberbauch liegende Bauchspeicheldrüse, die sowohl eine exokrine als auch eine endokrine Funktion hat. Zu der exokrinen Funktion gehört die Sekretion eines Verdauungssekrets bestehend aus HCO₃^- und Verdauungsenzymen in den Dünndarm. Der endokrine, hormonproduzierende Anteil des Organs befindet sich in den sog. Langerhans Inseln im Innern des Organs. Diese spezialisierten Zellen produzieren Glucagon (a-Zellen), Insulin (b-Zellen), pankreatisches Polypeptid (g-Zellen) oder Somatostatin (d-Zellen). Für die Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Blutglucosekonzentration im Blut (Blutglucosehomöostase) unabhängig vom Ernährungsstatus sind die Glucagon-produzierenden a-Zellen und die Insulin-produzierenden b-Zellen verantwortlich. Das von den b-Zellen sezernierte Insulin sorgt für die Senkung des Blutzuckerspiegels nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit; das von den α-Zellen sezernierte Glucagon sorgt in Zeiten der Nahrungskarenz für eine Steigerung des Blutglucosespiegels. Durch das fein aufeinander abgestimmte Zusammenspiel dieser beiden antagonistisch wirkenden Hormone kommt es zu einer Einstellung des Blutglucosespiegels auf physiologische Werte von ca. 5 mM bzw. 90 mg/100 ml. Bei einer Störung der Glucosehomöostase durch einen absoluten (Typ 1) oder relativen (Typ 2) Insulinmangel entwickelt sich die Stoffwechselkrankheit Diabetes mellitus („Zuckerkrankheit“), von der in Deutschland etwa 6 Mio. Menschen betroffen sind.

Die Synthese und Sekretion von Insulin wird nicht nur durch die Glucosekonzentration, sondern im Zusammenspiel mit verschiedenen Transkriptionsfaktoren und Hormonen reguliert. Ein ganz entscheidender Transkriptionsfaktor für die Regulation der Insulinexpression ist das Homöobox-Protein PDX-1. PDX-1 steht dabei nicht an der Spitze der Signalkette, sondern wird selbst über Transkriptionsfaktoren reguliert. Dazu gehören auch die Transkriptionsfaktoren der USF-Familie, die durch Bindung an sog. E-Box-Sequenzen in der DNA die Transkription des PDX-1 beeinflussen.

Abb.: Modifiziert nach: Felicia W. Pagliuca, Douglas A. Melton: How to make a functional β-cell. Development 2013 140: 2472-2483; doi: 10.1242/dev.093187

Wir haben sowohl PDX-1 als auch USF als Interaktionspartner und Substrate der CK2 identifizieren können. PDX-1 stellt sowohl in vitro als auch in vivo ein Substrat für die Proteinkinase CK2 dar. Durch ortsgerichtete Mutagenese ist es gelungen, den Serinrest an Position 232 und den Threoninrest an Positon 231 als CK2-Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Durch die Phosphorylierung an diesen Stellen wird sowohl die transkriptionelle Aktivität hinsichtlich des Insulinpromotors als auch die PDX-1-abhängige Insulinsekretion beeinflusst. Darüber hinaus destabilisiert die Phosphorylierung durch CK2 das PDX-1-Protein und sensibilisiert es für den proteasomalen Abbau, wahrscheinlich über das E3 Ubiquitin Ligase – Adaptorprotein PCIF1 (Klein et al., 2017). Die Phosphorylierung durch CK2 beeinflusst jedoch nicht die subzelluläre Lokalisation des PDX-1 (Meng et al., 2010a, Meng et al., 2010b). Die Daten zur PDX-1- CK2 Interaktion sind in der folgenden Darstellung zusammengefasst.

Abb.: Netzwerk der Wechselwirkungen zwischen Proteinkinase CK2 und PDX-1 in der b-Zelle des Pankreas mit ihren möglichen Konsequenzen.

An der Regulation der Transkription von PDX-1 sind u.a. die upstream stimulatory factors USF1 und 2 beteiligt, Transkriptionsfaktoren aus der bHLH Leucinzipper Familie, die an sog. E-Box Motive auf der DNA binden. USF – Komplexe über auf die Expression des PDX-1 einen reprimierenden Effekt aus.

Unsere Arbeitsgruppe hat in Kooperation mit der AG Kietzmann, Oulu, Finnland, in einer Hefe-Zwei-Hybrid-Analyse USF2 als Interaktionspartner der regulatorischen b-Untereinheit der CK2 gefunden. Dabei akzeptiert CK2 USF2 nicht als Substrat, wohl aber USF1, das zumeist im Komplex mit USF2 Transaktivierungsereignisse in Gang setzt.

Aus unseren Daten zur USF-CK2-PDX-1 – Interaktion konnten wir folgende Hypothese ableiten (siehe Abbildung).

Abb.: Einfluss der CK2 auf die die Expression des PDX-1.

PDX-1 ist ein Transkriptionsfaktor, der in den adulten α-Zellen des Pankreas nicht exprimiert wird. Bei einer exogenen Überexpression dieses Proteins kommt es zu einer starken Einschränkung der Bildung und Sekretion des blutzuckersteigernden Hormons Glucagon. Durch Herunterregulation der CK2-Aktivität in α-Zellen konnten wir in ersten Experimenten sehen, dass PDX-1 in diesen Zellen stabilisiert wird und eine reprimierende Wirkung auf die Expression des Glucagons ausübt. Derzeit laufen intensive Untersuchungen zu diesem Forschungsprojekt.

Proteinkinase CK2 scheint also eine gegenseitige Regulierung der Expression und Sekretion der beiden antagonistisch wirkenden Pankreashormone Insulin und Glucagon vornehmen zu können. Sie ist damit in ein sinnvolles physiologisches Konzept eingebunden, dass eine effektive Einstellung der Glucosehomöostase gewährleisten kann.

Abb.: Schema zur Wirkung der CK2 auf die Funktionen der a- und b-Zellen des Pankreas.

Alles in allem scheint CK2 in das komplizierte Netzwerk der Stoffwechselregulation eingebunden zu sein, wobei die CK2 eher einen negativ regulatorischen Effekt auf die Funktionälität der ß-Zellen des Pankreas und einen positiv regulatorischen Effekt auf die Funktionalität der α-Zellen des Pankreas   ausübt. Eine Hemmung der CK2-Aktivität könnte daher eine Option zur Behandlung des Diabetes mellitus Typ 2 darstellen, bei dem oft nicht nur eine unzureichende Insulinproduktion, sondern auch eine Hyperglucagonämie beschrieben wird.

Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe

Meng R, Götz C, Montenarh M. The role of protein kinase CK2 in the regulation of the insulin production of pancreatic islets. Biochem Biophys Res Commun. (2010a) 401:203-6.

Meng R, Al-Quobaili F, Müller I, Götz C, Thiel G, Montenarh M. CK2 phosphorylation of Pdx-1 regulates its transcription factor activity. Cell Mol Life Sci. (2010b) 67:2481-9.

Welker S., Götz C., Servas C., Laschke M.W., Menger M.D., Montenarh M. Glucose regulates protein kinase CK2 in pancreatic β-cells and its interaction with PDX-1. Int J Biochem Cell Biol. 45:2786-95 (2013).

Lupp S., Götz C., Khadouma S., Horbach T., Dimova EY., Bohrer A.M., Kietzmann T., and Montenarh M. The upstream stimulatory factor USF1 is regulated by protein kinase CK2 phosphorylation. Cell Signal. 26:2809-2817 (2014).

Spohrer S., Dimova E.Y., Kietzmann T., Montenarh M., and Götz C. The nuclear fraction of protein kinase CK2 binds to the upstream stimulatory factors (USFs) in the absence of DNA. Cell Signal. 28: 23-31 (2016).

Klein S., Meng R., Montenarh M., and Götz C. The phosphorylation of PDX-1 by protein kinase CK2 Is crucial for its stability. Pharmaceuticals 2017, 10 (1), 2.

Spohrer S, Groß R, Nalbach L, Schwind L, Stumpf H, Menger MD, Ampofo EA, Montenarh M and Götz C. Functional interplay between the transcription factors USF1 and PDX-1 and protein kinase CK2 in pancreatic -cells. Scientific Reports (2017), 7: 16367.

Ampofo E, Nalbach L, Menger MD, Montenarh M, Götz C. Protein Kinase CK2-A Putative Target for the Therapy of Diabetes Mellitus? Int J Mol Sci. 2019 20(18).

Scheuer R, Philipp SE, Becker A, Nalbach L, Ampofo A, Montenarh M and Götz C. Protein Kinase CK2 Controls CaV2.1-Dependent Calcium Currents and Insulin Release in Pancreatic β-Cells. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4668;

Becker A, Götz C, Montenarh M, Philipp SE. Control of TRPM3 Ion Channels by Protein Kinase CK2-Mediated Phosphorylation in Pancreatic β-Cells of the Line INS-1. Int J Mol Sci. (2021), 22(23):13133.

Pack M, Götz C, Wrublewsky S, Montenarh M SGC-CK2-1 Is an Efficient Inducer of Insulin Production and Secretion in Pancreatic β-Cells. Pharmaceutics. (2021), 14(1):19.

Pack M, Gulde TN, Völcker MV, Boewe AS, Wrublewsky S, Ampofo E, Montenarh M, Götz C. Protein Kinase CK2 Contributes to Glucose Homeostasis by Targeting Fructose-1,6-Bisphosphatase 1. Int J Mol Sci 2022 Dec 27;24(1):428.