MANF as a new regulator of the unfolded protein response and maintenance of pancreatic β-cells in mice

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5797-3
Title: MANF as a new regulator of the unfolded protein response and maintenance of pancreatic β-cells in mice
Author: Danilova, Tatiana
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Bioscience
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-02-28
Language: en
Belongs to series: DSHealth series - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5797-3
http://hdl.handle.net/10138/310277
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Neurotrophic factors are small secretory proteins with essential roles in neuronal and non-neuronal tissues. Mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor (MANF) and cerebral dopamine neurotrophic factor (CDNF) form a distinct family of unconventional neurotrophic factors. MANF and CDNF are endoplasmic reticulum (ER) located, but also secreted proteins. Initially, MANF was discovered as a trophic factor for dopamine neurons in vitro. Further studies revealed its protective and restorative properties in different animal disease models such as Parkinson´s disease, spinocerebellar ataxia, brain- and heart-ischemia. MANF is also identified as a protein upregulated in unfolded protein response (UPR) and protecting against ER stress-induced cell death. CDNF was identified based on its homology to MANF and characterized for its ability to protect and restore dopamine neurons in rodent models of Parkinson´s disease. However, the physiological roles of MANF and CDNF in mammals have remained unclear. The main objective of this thesis was, therefore, to study the biological roles of MANF in vivo by characterizing the phenotypes of MANF conventional and conditional knockout mice as well as analyzing MANF and CDNF expression in mouse tissues. Comprehensive expression analysis of MANF mRNA and protein revealed that MANF is widely expressed in most mouse tissues. It is highly expressed in neurons regulating energy homeostasis within the hypothalamus and neurons of other appetite-regulating areas including the brainstem structures and mesolimbic/mesocortical dopamine system. Exceptionally high levels of MANF was observed on peripheral mouse tissues with metabolic function, especially in cells with secretory functions within the endocrine and exocrine glands, suggesting essential roles for MANF in cells with high protein synthesis and secretion. Highest levels of CDNF protein was observed in tissues with high energy production and oxidative function including skeletal muscle, heart, testis and brown adipose tissue. In order to study the roles of MANF in mammals, we deloped MANF conventional knockout mice (Manf-/-), that showed severe growth retardation, poor survival and a progressive postnatal reduction of beta-cell mass resulting in severe insulin-deficient hyperglycemia and diabetes mellitus caused by decreased beta-cell proliferation and increased beta-cell apoptosis. In our further studies, we verified that diabetic phenotype of the Manf-/- mice was caused by a lack of MANF in the insulin-producing beta-cells in the pancreas and not in other organs by generating pancreas- and beta-cell-specific conditional Manf-/- mice. We found that pancreatic islets of conventional and conditional MANF deficient mice displayed chronic activation of the UPR, preceding downregulation of beta-cell markers, indicating unresolved ER stress as one possible cause of beta-cell failure in these mice. Thus, this work shows that MANF is an essential regulator of beta-cell maintenance and UPR in mice. We discovered that MANF protein increased beta-cell proliferation in vitro in islets isolated from young and even old mice. MANF protein also rescued mouse beta-cells from thapsigargin-induced apoptosis and ER stress-induced glucotoxicity in culture. Importantly, we found that MANF overexpression in the mouse pancreases mediated by adeno-associated virus vector was able to regenerate beta-cells in vivo in a mild low-dose streptozotocin mouse model of diabetes. Hence, these results indicate that MANF is a vital mitogen and protective protein for mouse beta-cells and can thus serve as a potential new regenerative drug for the diabetes therapy. Furthermore, we identified the decreased number of growth hormone (GH) and prolactin (PRL) expressing cells in the anterior pituitary gland of Manf-/- knockout mice associated with increased expression of UPR markers and decreased expression of Gh and Prl genes. Thus, reduced GH production could be one of the reasons for the growth retardation in Manf-/- mice. Taken together, the results in this thesis provide new critical biological functions of MANF in mouse in vivo which can be used to exploit the roles of MANF in human beta-cells and diabetes as well as in endocrine somatotropic cells and growth failure in human.Hermokasvutekijät ovat pieniä, solun erittämiä proteiineja, joilla on tärkeä rooli sekä hermostossa että muissa kudoksissa. Keskiaivojen astrosyyttiperäinen hermokasvutekijä (MANF) ja aivoperäinen dopamiinihermokasvutekijä (CDNF) muodostavat viimeisimpänä löydetyn epätavanomaisen hermokasvutekijäperheen. Niitä eritetään pieniä määriä, ja ne lokalisoituvat pääsääntöisesti solulimakalvostoon (engl. ER). Sekä CDNF- että MANF-proteiineilla on osoitettu olevan tärkeä rooli dopamiinihermosolujen kasvutekijänä Parkinsonin taudin eläinmalleissa. Lisäksi MANF suojaa soluja ER-stressin aiheuttamalta solukuolemalta. Tämän väitöskirjan päätavoitteena oli ymmärtää MANF-proteiinin biologista toimintamekanismia kuvaamalla kahta hiirimallia, joista MANF-geeni oli poistettu joko kudosspesifisesti tai kokonaan, sekä analysoida MANF- ja CDNF-proteiinien ilmentymistä hiiren kudoksissa. Tulokset osoittivat, että MANF mRNA:ta ja proteiinia löytyy suurimmasta osasta kudoksia, eniten hypotalamuksessa, aivorungossa ja dopamiinisoluissa. Lisäksi MANF-proteiinitasot ovat korkeat avo- ja umpirauhasissa. CDNF-proteiini puolestaan ilmentyy eniten luustolihaksissa, sydämessä, kiveksissä ja ruskeassa rasvakudoksessa. MANF-poistogeenisillä hiirillä havaittiin kasvun hidastuminen ja haiman insuliinia tuottavien beeta-solujen kuolemasta johtuva tyypin 1 diabetes, minkä vuoksi hiirten elinikä on keskimäärin alle kahdeksan viikkoa. Tutkimukset hiirillä, joilta MANF oli poistettu haimasta kudosspesifisesti, osoittivat että beeta-solujen kuolema johtuu jatkuvasta korkeasta solulimakalvoston stressitasosta, ja vahvistivat MANF-proteiinin tärkeän roolin beeta-soluja suojaavana kasvutekijänä sekä ER-stressin säätelijänä. Lisäksi osoitimme, että MANF-proteiini suojaa hiiren beeta-soluja thapsigarginilla indusoitulta solukuolemalta ja ER-stressin aiheuttamalta hyperglykemialta, sekä edistää beeta-solujen jakautumista nuorista ja myös vanhoista hiiristä eristetyissä Langerhansin saarekkeissa in vitro. Yliekspressoimalla MANF-proteiinia pystyimme suojaamaan ja regeneroimaan beeta-soluja myös in vivo streptozototsiinilla indusoidussa hiiren diabetes-mallissa. Selvitimme myös, että Manf-/- hiirien aivolisäkkeessä on vähemmän kasvuhormonia (GH) ja prolaktiinia tuottavia soluja, matalampi kasvuhormonin ja prolaktiinin geenien ekspressiotaso ja UPR-merkkiaineiden kohonnut ilmentyminen. Nämä löydöt voisivat osittain selittää, miksi Manf-poistogeeniset hiiret kasvavat hitaammin. Väitöskirjan tuloksena tiedämme enemmän MANF-proteiinin tärkeistä biologisista toimintamekanismeista hiirissä in vivo. Tätä tietoa voidaan hyödyntää jatkossa kuvattaessa MANF-proteiinin roolia ihmisen beeta-soluissa ja diabeteksessa, mutta myös tutkittaessa kasvun ja hormonitoiminnan häiriöitä.
Subject: Genetics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
manfasan.pdf 2.805Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record