IDE en el contexto metabólico: antecedentes
En 1949 Mirsky y col., describieron la inactivación de la insulina en extractos de hígado, riñón y músculo in vitro. Roth y col. afinaron la descripción, identificando a insulin-degrading enzyme (IDE) como la principal responsable de la degradación de insulina. Estos hallazgos y otras investigaciones posteriores, llevaron a pensar que IDE es la principal proteasa en el aclaramiento de insulina, convirtiéndola en una diana potencial en el tratamiento de la diabetes. Los estudios hechos en este sentido se contradicen. Maianti y col. generaron el inhibidor de IDE llamado 6bk, que mejoraba la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina. En el mismo sentido, el tratamiento con el inhibidor NTE-1 de Eli Lilly mejoró la tolerancia a la glucosa en ratones obesos, pero no presentaban cambios en la sensibilidad a la insulina o a sus niveles. Por otro lado, el inhibidor BDM44768 desarrollado por Deprez–Poulain y col. produjo una modesta mejora de la sensibilidad a la insulina, así como un leve aumento de sus niveles circulantes, pero empeoró la tolerancia a la glucosa. Además, estudios realizados en nuestro laboratorio utilizando un modelo de ratón con eliminación genética de Ide en el hígado (L-IDE-KO), han mostrado que IDE no es necesaria para el aclaramiento de insulina, pero sí para la resistencia a la hormona.
Con el paso de los años se ha demostrado que IDE es mucho más que una enzima que degrada insulina. Esta proteasa dependiente de zinc altamente conservada entre especies, tiene una expresión ubicua en el organismo. Por un lado, aunque con menor afinidad, esta proteína tiene la capacidad de degradar otros péptidos importantes en el contexto de la homeostasis de la glucosa, como glucagón, somatostatina y amilina, además de otros como el péptido beta-amiloide.
También se han descrito numerosas funciones no proteolíticas de IDE: 1) Interacciona con los receptores de andrógenos y glucocorticoides aumentando la unión específica al ADN de ambos receptores, este mecanismo puede ser de gran relevancia en la acción y metabolismo de hormonas esteroides, así como en la resistencia a la insulina mediada por glucocorticoides. 2) Interacciona con filamentos intermedios celulares, actuando como un “andamio” de la señalización molecular, distribución y actividad del citoesqueleto. 3) Se asocia con oligómeros de alfa-sinucleína, afectando la polimerización de los microtúbulos y el tráfico intracelular dependiente de los mismos.
La primera aproximación para comprender la función de IDE in vivo fue la generación del modelo de ratón con ablación total de Ide (IDE-KO) por Farris y col. Este grupo mostró que la ausencia de IDE en el organismo lleva al desarrollo de hiperglucemia e hiperinsulinemia, así como una severa intolerancia a la glucosa. Posteriormente, Abdul–Hay y col. observaron que los ratones IDE-KO presentaban hiperinsulinemia en ayunas y resistencia a la insulina. Años después, Steneberg y col. aportaron hallazgos más específicos examinando la secreción de insulina en respuesta a glucosa de los islotes IDE-KO, mostrando que dicha secreción está desregulada.
IDE es necesaria para la secreción de insulina por las células beta
Aunque hay descritos varios mecanismos que regulan el funcionamiento de las células beta, todavía hay lagunas de conocimiento en este sentido. ¿Está IDE implicada en el mecanismo de regulación de la secreción de insulina?
En 2013, Steneberg y col. describieron la existencia de una disminución de los niveles de IDE en los islotes pancreáticos de pacientes con diabetes tipo 2 (DT2), este hallazgo fue corroborado por nuestro grupo utilizando técnicas de inmunofluorescencia en páncreas de pacientes de DT2. En ese mismo estudio observamos que la expresión de IDE aumenta en las células beta expuestas al tratamiento de insulina.
En 2019 llevamos a cabo el primer estudio específico en células beta usando el modelo de ratón B-IDE-KO, y observamos que los islotes de estos ratones muestran una secreción constitutiva de insulina, independiente de las concentraciones de glucosa, con el mismo patrón de secreción que se observa en los islotes de ratones neonatos (p1-p2). Por tanto, llegamos a la conclusión de que IDE es necesaria para la correcta función de las células beta. Además, exploramos la secreción de insulina en diferentes modelos con el inhibidor NTE-2; estos estudios pusieron de relieve que la actividad proteolítica de IDE es necesaria para el correcto funcionamiento de la célula beta, mostrando una inhibición de la secreción de insulina en respuesta a altos niveles de glucosa. Por tanto, con estos hallazgos pudimos concluir que tanto las funciones proteolíticas como no proteolíticas de IDE son necesarias para la secreción de insulina.
Teniendo en cuenta que todas las observaciones realizadas en células beta pancreáticas con pérdida de expresión de IDE, así como de la inhibición de su actividad proteolítica, son deletéreas para la secreción de insulina, comenzamos a pensar en el escenario opuesto. ¿El aumento de la actividad y/o expresión de IDE en las células beta puede mejorar la secreción de insulina? Hayrabedyan y col. describieron que el factor de preimplantación (PIF) es capaz de modular la función de IDE dando como resultado un aumento de la degradación del péptido beta amiloide en neuronas. Además, PIF es un péptido fácil de sintetizar, y el PIF sintético (sPIF) está aprobado por la FDA (EEUU) como fármaco de uso seguro en humanos. Nuestro grupo ha explorado el efecto de sPIF en la función de las células beta, observando que sPIF aumentaba la secreción de insulina en respuesta a glucosa, comprobando que esta acción está asociada a un aumento de la actividad proteolítica de IDE. Además, llevamos a cabo un ensayo preclínico con un modelo de ratón obeso, observando que el tratamiento crónico de sPIF es capaz de aumentar los niveles de insulina y reducir la intolerancia a la glucosa. Con este estudio, concluimos por primera vez que la activación de IDE puede estimular la función de las células beta pancreáticas para tratar la diabetes.
IDE es requerida para la secreción de glucagón por las células alfa. Implicaciones en hiperglucagonemia
El glucagón secretado por las células alfa es fundamental para el control de la homeostasis de la glucosa en el ayuno. La desregulación de las células alfa es considerada la causa de la hiperglucagonemia, y es tan importante en la diabetes como el déficit de insulina o la resistencia insulínica. Nuestros estudios de expresión de IDE en el páncreas endocrino han revelado que se expresa más en las células alfa que en el resto de las células del islote pancreático, tanto en humanos como en roedores (Figura 1). Este hallazgo nos llevó a pensar que IDE podría ser especialmente relevante en el funcionamiento de las células alfa. Nuestro grupo ha desarrollado un modelo de ratón con deficiencia genética de Ide en las células alfa (A-IDE-KO). La caracterización de este modelo mostró que IDE es esencial en el control de la secreción de glucagón, puesto que presentaba hiperglucagonemia debido a una secreción constitutiva de glucagón independiente de los niveles de glucosa. La regulación de la secreción de glucagón está mediada por las acciones no proteolíticas de IDE, tal y como mostraron nuestros experimentos utilizando el inhibidor 6bK. Es la ausencia de la proteína, que estaría funcionando como una proteína del ensamblaje celular, la responsable de la desregulación de la secreción de glucagón.
Profundizando en el fenotipo de las células alfa cuando se pierde IDE, encontramos que su ausencia induce un aumento en la proliferación y tamaño de este tipo celular. La hipertrofia e hiperplasia que observamos en las células alfa han sido postuladas como una de las principales causas de la hiperglucagonemia en diabetes. Con este estudio, pusimos de manifiesto que IDE podría ser clave para la función de las células alfa, y que su pérdida de expresión pudiera estar en el origen de los procesos de hiperglucagonemia.
Trabajando con este modelo fuimos capaces de constatar que la pérdida de regulación de la secreción de glucagón podría estar relacionada con la sobreexpresión del complejo de proteínas SNARE, que regula la fusión de las vesículas de glucagón con la membrana celular. La correcta cantidad e interacción de dichas proteínas es un paso crítico en la liberación de la hormona al espacio extracelular. Los islotes de los ratones A-IDE-KO presentaron una sobreexpresión del complejo SNARE. Este hallazgo podría estar relacionado con la secreción constitutiva de glucagón observada en el modelo.
IDE regula el citoesqueleto de tubulina y la ciliogénesis de las células alfa
El aumento de proliferación de las células en ausencia de IDE nos llevó a indagar en el mecanismo, poniendo nuestro interés en el cilio primario, una protuberancia de la membrana celular presente en la mayoría de células, que se caracteriza por actuar como una “antena metabólica”. Se trata de una estructura dinámica, ya que no está presente en todos los estados celulares, que se desensambla cuando las células activan su ciclo celular. Es una estructura altamente especializada, porque regula de forma muy fina la comunicación con el ambiente extracelular y el contacto con células vecinas gracias a la expresión de receptores, moléculas de señalización y canales iónicos, entre los que destacan los canales de calcio.
Recientemente se ha descrito que las células del páncreas endocrino son células ciliadas. Los cilios presentes en las células beta y alfa parecen funcionar como sensores que controlan la secreción hormonal y la regulación paracrina entre las células del islote pancreático.
Nuestro grupo ha demostrado en un modelo de células alfa manipulado genéticamente para reducir los niveles de IDE (αTC1.9-siRNA-IDE), que el déficit de esta proteína produce una reducción significativa de la ciliogénesis. ¿Cuál es el papel de IDE en la formación del cilio primario de las células productoras de glucagón? La clave podría estar en su relación con el citoesqueleto. Se ha descrito que IDE previene la agregación de alfa-sinucleína en las células beta; en el modelo IDE-knock-down en células alfa observamos una acumulación significativa de agregados de alfa sinucleína y una reducción significativa de los niveles de tubulina y tubulina acetilada. La acetilación de la tubulina es una modificación postraduccional asociada a la estabilidad de los microtúbulos, requerida para la formación de los cilios primarios. Todos estos hallazgos nos llevaron a plantear la hipótesis de que IDE es necesaria para la estabilización y correcta organización de los microtúbulos, repercutiendo a su vez en la formación del cilio primario y el control de la proliferación celular. Nuestro grupo sigue estudiando los mecanismos moleculares y celulares que subyacen a la relación de IDE y el citoesqueleto de tubulina, así como la implicación de los cilios primarios en el funcionamiento de las células alfa (Figura 2).
Implicaciones de IDE en diabetes
Además de todos los estudios mencionados, en los que se ha mostrado que la regulación de IDE está relacionada con la regulación de la función del islote pancreático y la homeostasis de la glucosa, existen evidencias que relacionan la regulación de IDE con riesgo a padecer DT2. El gen que codifica para Ide en humanos, ha sido identificado como un gen de susceptibilidad para el desarrollo de DT2. Además, se han descrito en la literatura polimorfismos genéticos cercanos o situados en el interior de locus de Ide relacionados con el riesgo de padecer diabetes. También se han identificado modelos animales, como las ratas Goto-kakizaki que presentan mutaciones en el gen que codifica para Ide asociadas al desarrollo de DT2. Otros estudios focalizados en el estudio del metabolismo de la insulina, han determinado que existen etnias en las que se asocian niveles de baja actividad enzimática de IDE con elevados niveles de insulina circulante y bajo aclaramiento de la hormona. Por otro lado, también se ha evidenciado que individuos con altos niveles de IDE circulantes presentan asociación con síndrome metabólico.
Los resultados de nuestras investigaciones aportan luz a la hipótesis de que la disfunción de IDE está implicada en el desarrollo de la diabetes. Por un lado, hemos constatado que es importante en la regulación de la secreción de insulina por las células beta en respuesta a glucosa, y hemos propuesto la activación de IDE como estrategia terapéutica para mejorar la respuesta a glucosa. Por otro lado, hemos aportado evidencias de que está relacionada con la etiología de la hiperglucagonemia en DT2. Nuestros estudios deben verificar si los pacientes con DT2, además de presentar menos niveles de IDE en los islotes, también presentan menos cilios primarios o si estos estuvieran afectados. Por otro lado, los pacientes que padecen diabetes tipo 1 y que han perdido por un ataque autoinmunitario la población de células beta, sí mantienen su población de células alfa, por lo que sería interesante entender si en esas células hay afección de los niveles de IDE y/o de la ciliogénesis. Nuestras futuras investigaciones se encaminarán en este sentido en los próximos años.
Para leer más
- Fernández-Díaz CM, et al. Insulin degrading enzyme is up-regulated in pancreatic β cells by insulin treatment. Histol Histopathol. 2018 Nov;33(11):1167-80.
- Fernández-Díaz CM, et al. Pancreatic β-cell-specific deletion of insulin-degrading enzyme leads to dysregulated insulin secretion and β-cell functional immaturity. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2019 Nov 1;317(5):E805-E819.
- González-Casimiro CM, Merino B, Casanueva-Álvarez E, Postigo-Casado T, Cámara-Torres P, Fernández-Díaz CM, Leissring MA, Cózar-Castellano I, Perdomo G. Modulation of Insulin Sensitivity by Insulin-Degrading Enzyme. Biomedicines. 2021 Jan 17;9(1):86.
- Leissring MA, González-Casimiro CM, Merino B, Suire CN, Perdomo G. Targeting Insulin-Degrading Enzyme in Insulin Clearance. Int J Mol Sci. 2021 Feb 24;22(5):2235.
- Merino B, Casanueva-Álvarez E, Quesada I, González-Casimiro CM, Fernández-Díaz CM, Postigo-Casado T, Leissring MA, Kaestner KH, Perdomo G, Cózar-Castellano I. Insulin-degrading enzyme ablation in mouse pancreatic alpha cells triggers cell proliferation, hyperplasia and glucagon secretion dysregulation. Diabetologia. 2022 Aug;65(8):1375-89.
- Sanz-González A, et al. Pharmacological activation of insulin-degrading enzyme improves insulin secretion and glucose tolerance in diet-induced obese mice. Diabetes Obes Metab. 2023 Nov;25(11):3268-78.
