Proteotoxicity in Chronic Pancreatitis and Diabetes

Alvorlege nevrologiske lidingar som Parkinsons og Alzheimers sjukdom er karakteriserte ved at visse protein dannar aggregat, altså klumpar seg saman i hjernevevnaden. Målet med prosjektet vårt var å undersøkje om giftige effektar grunna samanklumping av protein spelar ei rolle også ved sjukdomsprosessar i bukspyttkjertelen. Vi har studert fordøyingsenzymet karboksylester-lipase (CEL), som vi for fleire år sidan oppdaga er involvert i utviklinga av nokre former for diabetes og bukspyttkjertelbetennelse (pankreatitt). Dei sjukdomsframkallande CEL-variantane er forårsaka av mutasjonar som øydelegg den eine enden av enzymet, noko som igjen utløyser proteinaggregering og stressreaksjonar inne i cellene. Hypotesen vår har vore at dei unormale CEL-molekyla startar ein nedbrytande sjukdomsprosess i bukspyttkjertelen. I prosjektet nytta vi eit mangfald av molekylære og cellulære metodar for å analysere genetiske variantar av CEL som er funne hos pasientar med diabetes og/eller pankreatitt. Prosjektet har gjort det mogleg for oss å oppdage nye variantar av CEL-genet og avgjere om desse er godarta eller sjukdomsframkallande. Vi har i løpet av prosjektperioden funne fleire nye familiar med CEL-mutasjonar og publisert ein artikkel som skildrar korleis ein skal diagnostisere slike pasientar. Nokre av CEL-variantane dannar aggregat både inni og utanpå cellene, og vi har i prosjektet undersøkt om samanklumpa CEL-molekyl kan spreie seg direkte frå celle til celle. Spesielt har vi påvist at dei kan takast opp av dei insulinproduserande cellene i bukspyttkjertelen, og då vert den normale cellefunksjonen påverka negativt. Sjukdomsprosessar i menneske kan ofte attskapast ved å uttrykke det øydelagde proteinet i forsøksdyr. I prosjektet har vi difor laga to ulike musestammar der forsøksdyra sitt CEL-protein er erstatta med sjukdomsframkallande delar av det menneskelege CEL-proteinet. Desse musene syner klare teikn på betennelse i bukspyttkjertelen. Effekten samsvarer med det ein ser i menneske som er berarar av dei sjukdomsframkallande CEL-variantane. Data frå den eine muse-modellen er publiserte, medan den andre modellen vil verte publisert etter at prosjektet er avslutta. Oppsummert tyder studiane våre på at samanklumping av fordøyingsenzym er ein ny type mekanisme som gir sjukdom i bukspyttkjertelen. Vi veit no meir om kva for CEL-variantar som er godarta og kva for variantar som er farlege. Prosjektet har såleis gjeve kunnskap av direkte nytte for pasientdiagnostikk.

(1) Basert på mutasjonar som naturleg førekjem i pasientar, har vi laga to nye musemodellar for inflammasjon i bukspyttkjertelen. Ved å studere desse dyremodellane er det oppnådd ny kunnskap om korleis sjukdom som diabetes og kronisk pankreatitt kan oppstå. (2) Vi har funne nye familiar med diabetes og pankreatitt forårsaka av mutasjonar i genet CEL. Vi har no ei betre forståing av kva for CEL-variantar som gir sjukdom og kva for variantar som kroppen kan tolerere. (3) Gjennom den internasjonale delen av prosjektet har vi utvikla og forsterka forskingssamarbeidet med to verdsleiande miljø i USA (Washington School of Medicine, St. Louis og Joslin Diabetes Center, Harvard Medical School, Boston). Desse samarbeida vil vere av stor verdi for vår vidare forsking på mekanismar bak sjukdom i bukspyttkjertelen.

Formation of protein aggregates is a fundamental characteristic of many degenerative disorders. We have discovered that aberrant variants of the digestive enzyme carboxyl-ester lipase (CEL) are involved in the development of chronic pancreatitis and diabetes. The pathogenic molecules are generated by mutations that change the repetitive tail region of CEL. We have found that these CEL variants cause the protein to misfold, triggering endoplasmic reticulum (ER) stress and the unfolded protein response. When such processes do not restore protein balance in the ER, cellular function becomes severely impaired, defining the misfolded molecules as proteotoxic. Our overriding hypothesis is that proteotoxic lipase molecules can initiate a degenerative disease process in the pancreas. Hence, we will systematically analyze CEL mutations discovered in patients by employing a diversity of molecular and cellular methods. Based on our observation of extracellular CEL aggregates, we will also investigate whether misfolded CEL molecules can spread directly from cell to cell and be taken up by pancreatic endocrine cells, negatively impacting their function. Moreover, we propose that pancreatic degenerative disease can be recapitulated in animals by organ-specific expression of pathogenic human CEL variants. We will therefore construct humanized knock-in mice models where the tail of the mouse Cel protein is replaced by either the normal tail or two pathogenic repetitive tail sequences from the human CEL protein. These mice will be exposed to environmental stressors known to induce pancreatitis and diabetes. Completion of our studies will establish mutation-induced misfolding of digestive enzymes as a relevant disease mechanism in the pathogenesis of chronic pancreatitis and diabetes. The project will also yield general knowledge about how changes in a repetitive protein domain cause human degenerative disease, thereby defining key initial events in protein aggregation disorders.