Phenotypic heterogeneity of human glucokinase (MODY2) mutations. Structure, function and regulatory mechanisms

Glukokinase er et nøkkelenzym i leverens regulering av blodsukkernivået (normalt 4-8 mmol/l) og i reguleringen av beta-cellenes frisetting av insulin (”glukose sensor funksjon”). Dette er årsak til at glukokinase er ansett som et viktig målprotein i behandling av type 2 diabetes, hvor man prøver å finne molekyler som ved binding til glukokinasen kan aktivere enzymet og således senke blodsukkernivået. Det er kjent mer enn 600 mutasjoner i genet som koder for glukokinase. Nedarving av en kopi (heterozygot) av en inaktiverende mutasjon fører til en mild form for diabetes (MODY type 2 - Maturity-Onset Diabetes of the Young, også kalt GCK-MODY). Nedarving av to kopier (homozygot) av slike inaktiverende mutasjoner fører til en mer alvorlig form for spedbarnsdiabetes, permanent neonatal diabetes. De fleste GCK-MODY mutasjoner forårsaker diabetes fordi glukokinasen hos disse pasientene har en redusert aktivitet, og glukose vil da ikke lenger brytes ned effektivt. For andre GCK-MODY pasienter fører mutasjonen til diabetes med ukjent mekanisme. Derfor leter vi etter nye, alternative mekanismer for hvordan glukokinasen er regulert i cellen og undersøker om disse er feilregulert hos pasientene og kan således belyse årsaksmekanismen ved GCK-MODY. I dette studiet, har vi funnet en ny mekanisme for hvordan enzymet glukokinase er regulert v.h.a. den posttranslasjonelle modifikasjonen som kalles SUMOylering. Dette arbeidet ble publisert i JBC i januar 2013 og oppfyller dermed et av prosjektets delmål: “identifisere posttranslasjonelle modifikasjoner og dens regulatoriske egenskaper av glukokinase”. Vi har vist at SUMOylering stabiliserer og aktiverer pankreas isoformen av enzymet, men har mindre innvirkning på lever isoformen. Dermed oppfyller dette studiet også et av delmålene for prosjektet som var beskrevet som “komparative studier av de regulatoriske egenskapene til lever og pankreas isoformen av glukokinase”. SUMOylering kan dermed se ut til å være en endogen aktiveringsform for pankreas glukokinase, noe som i seg selv kan være interessant m.h.t. behandling av type 2 diabetes (oppfyller da også delmålet: ”fortsettelse av søk etter og karakterisering av endogene glukokinase aktivatorer”). I prosjektperioden har jeg også vært med på 3 andre relevante studier, som ble publisert i FEBS J i 2011, BBA i 2012 og Mol. Cell. Endocrinol i januar 2014. Arbeidet i FEBS J viser at binding av liganden ATP til glukokinase fører til en konformasjonsendring i enzymet og gir bedre mekanistisk forståelse av hvordan enzymet fungerer (oppfyller da delmålet: ”videre karakterisering av katalytiske egenskaper av glukokinase”). I arbeidene i BBA og Mol. Cell. Endocrinol. har vi vist at noen GCK-MODY mutasjoner (S263P, G264S og R275C) fører til protein misfolding, noe som gir nedsatt stabilisering av de mutante proteinene og aggregering i celler. Økt nedbryting av mutert glukokinase enzym kan derfor bli utfallet og kan dermed være årsak til GCK-MODY i disse familiene. Konklusjon: I dette prosjektet har vi funnet nye mekanismer for hvordan glukokinase reguleres (SUMOylering), noe som fortrinnsvis skjer med pankreas isoformen. Videre studier trengs for å finne ut hvordan SUMOylering påvirker glukokinases regulering av sukker metabolismen og insulin sekresjon. I tillegg har vi vist nye mekanismer for hvordan enkelte GCK-MODY mutasjoner gir sykdom, nemlig at sykdommen skyldes protein misfolding og aggregering. Samlet kan vi konkludere med at dette studiet gir oss økt forståelse for et meget sentralt enzym som er involvert i diabetes og også nye forklaringer for hvorfor noen pasienter blir syke. Diabetes er en sykdom som er en helseutfordring og som forventes å øke i omfang årene fremover. I henhold til verdens helseorganisasjon, så led i år 2000 171 millioner mennesker av diabetes verden rundt, et antall man forventer vil stige til 366 millioner i 2030. Glukokinase har lenge vært et attraktivt mål for type 2 diabetes terapi, hvor man leter etter forbindelser/molekyl som kan aktivere glukokinasen, og på denne måten få redusert glukose-nivået i pasienten. Vi har funnet en slik aktiverende mekanisme i form av SUMOylering, noe som på sikt kan ha betydning for pasienter med type 2 diabetes. Videre studier blir viktig for å se hvordan SUMOylering reguleres og hvordan man spesifikt kan målrette behandlingen mot glukokinase. Dette studiet er også viktig fordi det har gitt en ny forståelse for mekanismene for sykdom for noen av formene for GCK-MODY diabetes og dette kan også gi ståsted for utvikling av videre medikamenter. Kan man for eksempel finne molekyl som kan hindre aggregering av glukokinase mutanter sett i disse pasientene, kan dette være en vei å gå videre i behandlingen av disse. Funnene kan også være relevant for behandling av generell type 2 diabetes, hvor man tenke seg målrettet behandling som går spesifikt mot å øke GK løselighet/protein stabilitet.