Chronic hyperlipidemia (lipotoxicity) and hyperglycemia (glucotoxicity) have recently been shown to induce Endoplasmic Reticulum (ER) stress, which may contribute to pancreatic beta-cell dysfunction in type 2 diabetes. This thesis examined the involvement of ER stress in beta-cell lipotoxicity and glucotoxicity. Although chronic treatment with saturated free fatty acids (FFA) in vitro induced ER stress, altering ER stress by increasing or knocking-down GRP78 chaperone expression had no effect on apoptosis induction. Conversely, overexpression of ER chaperones rescued the reduction in proinsulin protein levels caused by chronic exposure to high glucose, although it had no effect on the decreased insulin mRNA levels and proinsulin translation rate. Thus, ER stress is likely not the main mechanism involved in saturated FFA-induced beta-cell apoptosis in vitro, but it may contribute to glucotoxic effects on proinsulin levels. These findings have increased our understanding of the link between ER stress and beta-cell dysfunction in type 2 diabetes.

Das Darmhormon Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) ist ein vielversprechendes Therapeutikum in der Behandlung des Typ 2-Diabetes. Allerdings liegen nur wenige Daten über die molekulare Wirkung des Hormons vor. Daher wurden die intrazellulären Effekte, die GLP-1-induzierten Signaltransduktion und Genexpression am Beispiel der pankreatischen ß-Zellinie INS-1 untersucht. In den INS-1-Zellen zeigte sich nach einer GLP-1-Stimulation eine zeit-, dosis- und glukose-abhängige Phosphorylierung von ERK1/2 bzw. der Aktivierung der Transkriptionsfaktoren Elk-1 und CREB. Während GLP-1 die beiden Signalmoleküle bereits nach wenigen Minuten transient aktivierte, führte Glukose zu einer verzögerten, aber anhaltenden Aktivierung. Beide Stimulanzien gemeinsam bewirkten eine synergistische Aktivierung von ERK1/2 und CREB. Sowohl am Mechanismus der glukose- als auch GLP-1-induzierten Aktivierung sind Ca2[plus]-regulierte Signalprozesse in antagonistischer Weise involviert. So führte die Inhibition von CaM-Kinasen und der intrazellulären Ca2[plus]-Erhöhung zu einer Reduktion der GLP-1- und glukosestimulierten ERK1/2-Phosphorylierung, die induzierte Aktivierung von CREB wurde leicht verstärkt. Die Inhibition der PKA und MEK ließen die Rückschlüsse zu, daß die Aktivie-rung der MAPK-Kaskade teilweise durch die PKA vermittelt wird und eine Wechselwirkung zwischen den Kaskaden existiert. Insbesondere die Induktion der frühen Gene junB, c-fos, nur-77 und zif268, die mit der GLP-1-induzierten ERK1/2- und CREB-Phosphorylierung korrelierten, belegten, daß GLP-1 einen Teil seiner Wirkung über diese Signalwege vermittelt. Die Glukosewirkung hinsichtlich der IEG-Induktion war gering. Beide Stimuli gemeinsam führten analog zum synergistischen Effekt auf signaltransduktorischer Ebene zu einer gesteigerten und verlängerten IEG-Expression, die somit die physiologische Bedeutung von GLP-1 als Glukosekompetenzfaktor unterstrichen.

Elevated serum levels of trimethylamine N-oxide (TMAO) were first associated with increased risk of cardiovascular disease (CVD) 10 years ago. Research has since defined that serum TMAO accumulation is controlled by the diet-microbiome-liver-kidney axis. Choline related nutrients are consumed in excess during over-nutrition from a Western diet. The resultant elevated serum TMAO is investigated across various chronic metabolic diseases and many tissue types. While TMAO is most clearly linked to CVD mechanisms in vascular tissue, its molecular effects on metabolic tissues are unclear. Here we report the current standing of TMAO research in metabolic disease context across relevant metabolic tissues including liver, kidney, brain, adipose, and muscle tissues. This review explores the variable TMAO effects in healthy and diseased conditions. Since impaired pancreatic β-cell function is a hallmark of metabolic disease pathogenesis which are largely unexplored in TMAO research, the following primary research results investigate TMAO effects on in vitro functional β-cell mass in relation to healthy and type 2 diabetes (T2D) conditions. Although we hypothesized that TMAO would aggravate functional β-cell mass, the data demonstrate that TMAO improves the T2D phenotype by increasing insulin secretion and production and reducing oxidative stress. Therefore, this work provides crucial support for the emerging context dependent molecular effects of TMAO during metabolic disease progression.