PI3Kβ e PI3Kγ sinergizzano nella protezione dalla sindrome metabolica

Le fosfatidilinositolo-3-chinasi (PI3K) sono una famiglia di lipide-chinasi che catalizzano la fosforilazione dei fosfoinositidi in posizione D3. Le PI3K sono divise in tre classi in base alla specificità di substrato ed alla via di attivazione. Le PI3K di classe I sono le maggiormente studiate. Esse fosforilano PI(4,5)P2 generando PI(3,4,5)P3. Le PI3K di classe IA (α, β, δ) sono eterodimeri costituiti da una subunità catalitica (p110α, β, δ) ed una subunità regolatoria (p85α, p85β, p55α, p50α, and p55γ), mentre la classe IB è costituta dalla PI3Kγ, dimero costituito da una subunità catalitica p110γ e da una subunità regolatoria (p101 or p87). Le PI3K di classe IA agiscono unicamente a valle di recettori tirosina-chinasici (RTK), ad eccezione di PI3Kβ, la quale è regolata anche dalle subunità Gβγ di recettori accoppiati a proteina G (GPCR), i quali sono a monte della segnalazione dell'isoforma di classe IB, PI3Kγ. L'isoforma di classe IA PI3Kα, agendo a valle del recettore dell'insulina, è la PI3K maggiormente coinvolta nel metabolismo del glucosio. Tuttavia, è stato dimostrato che anche PI3Kβ e PI3Kγ hanno un ruolo secondario, ma non trascurabile, nell'azione dell'insulina. PI3Kβ produce una soglia basale PtdIns(3,4,5)P3 che potenzia l'azione di PI3Kα. Infatti, topi mutanti difettivi dell'attività chinasica di PI3Kβ (KDβ) sviluppano insulino-resistenza. Inoltre, studi fatti su topi knock-out per PI3Kγ hanno dimostrato il suo coinvolgimento nella regolazione della secrezione calcio-dipendente di insulina. Considerato il ruolo metabolico di PI3Kβ e PI3Kγ e la loro attivazione a valle di GPCR, si è deciso di generare dei topi difettivi dell'attività chinasica sia di PI3Kβ che di PI3Kγ (KDβ/KDγ) al fine di vedere se esistesse una cooperazione delle due isoforme nel controllo del metabolismo. I topi KDβ/KDγ mostrano alterazioni a livello del metabolismo glucidico e lipidico. Infatti, essi hanno elevati livelli plasmatici di glucosio, insulina, trigliceridi e colesterolo. Tali alterazioni metaboliche hanno come conseguenza lo sviluppo di disfunzioni renali. Infatti, l'analisi istologica di reni di tali animali rivela accumuli di sostanza ialina, positiva alla colorazione PAS e di aspetto omogeneo, tipici della glomerulosclerosi focale, caratterizzante pazienti affetti da nefropatia diabetica. Insulino-resistenza, dislipidemia e danno renale sono alterazioni tipiche della sindrome metabolica. Tali risultati sperimentali ci permettono di affermare che i topi KDβ/KDγ sviluppano tale patologia. Curiosamente, i topi KDβ/KDγ sono più magri rispetto a topi WT o singoli mutanti (KDβ e KDγ). Questo dato non è in contrasto con la diagnosi della sindrome metabolica, in quanto è stato recentemente dimostrato che l'obesità è una caratteristica frequente ma non necessaria per lo sviluppo di tale patologia. Tale magrezza è associata ad una minore massa grassa a livello epididimale. Ad un'analisi istologica del tessuto adiposo dei topi KDβ/KDγ, gli adipociti risultano essere più piccoli rispetto ai controlli. Studi di differenziamento in vitro hanno dimostrato che tale alterazione è dovuta a difetti nell'adipogenesi. In conclusione, tali dati hanno mostrato il ruolo cruciale di PI3Kβ e PI3Kγ nel differenziamento degli adipociti e la cooperazione delle due isoforme nella protezione dall'insorgenza della sindrome metabolica.

Phosphoinositide 3-kinases (PI3Ks) are a family of lipid kinases, responsible for the phosphorylation of the D3 position of phosphoinositides (PtdIns). The most studied class I PI3Ks phosphorylate PI(4,5)P2 to generate PI(3,4,5)P3, an important second messenger that recruits proteins containing a PH domain to the plasma membrane. Class IA PI3Ks (α, β, δ) are obligate heterodimers of a catalytic subunit (p110α, β, δ) with a regulatory subunit (p85α, p85β, p55α, p50α or p55γ), and Class IB PI3K (γ) are dimer of a p110γ catalytic subunit and p101 or p87 regulatory subunits. Class IA PI3Ks signal downstream of RTKs, whereas Class IB PI3K signals downstream of GPCRs. This distinction has been questioned by data showing that the p110β isoform of class IA PI3Ks is activated by Gβγ subunits downstream of GPCRs, similarly to p110γ. Class IA PI3Kα is the major isoform involved in the regulation of glucose metabolism, downstream insulin receptor. However, experimental evidences show that also PI3Kβ and PI3Kγ are involved in insulin metabolic action. Indeed, inhibitors studies indicate that PI3Kβ provides a basal threshold of PtdIns(3,4,5)P3 that potentiates PI3Kα activity, thus suggesting that PI3Kβ function might be necessary for achieving full scale signaling responses. Indeed, mice defective for the catalytic activity of PI3Kβ (KDβ mice) display mild insulin resistance. In addition, studies on p110γ knock-out mice demonstrate that this isoform has an integral role for the appropriate β-cell responsiveness to glucose. Indeed, p110γ isoform of PI3K regulates Ca2+-dependent insulin exocytosis, controlling the insulin granule recruitment to the plasma membrane and maintaining of a readily releasable pool of secretory granules. Starting from the evidence that PI3Kβ and PI3Kγ are involved in the regulation of glucose homeostasis, we have generated a double kinase dead (KDβ/KDγ) mice line to investigate if there is a metabolic cooperation of these two enzymes downstream the same GPCRs receptors. We have thus analyzed the alterations of insulin homeostasis and in organs involved, directly or indirectly, in glucose metabolism in KDβ/KDγ mice. KDβ/KDγ mice are characterized by an altered glucose and lipid metabolism. Indeed, KDβ/KDγ mice display hyperglycemia, hyperinsulinemia, elevated tryglicerides and cholesterol levels. These metabolic alterations lead to severe renal dysfunction. KDβ/KDγ kidneys are full of hyaline, homogeneous, PAS-positive substance deposits, which are typical of diabetic glomerulosclerosis. Interestingly, KDβ/KDγ mice are not obese, but they are underweight compared to wild type and single mutant (KDβ and KDγ) mice. This finding isn't in contrast with the diagnosis of metabolic syndrome, indeed it has recently been established that obesity is frequent, but not mandatory component of MS. This leanness is associated with a reduction in gonadal fat mass. Histological analysis and further quantification display that KDβ/KDγ adipocytes have smaller size compared to controls. In vitro studies show that this defect is due to alteration in adipocytes differentiation. Insulin resistance, dyslipidemia, renal damage and adipose tissue dysfunction are characteristics of metabolic syndrome (MS). Then, we can affirm that KDβ/KDγ mice are affected by this pathology. These data let us to conclude that that PI3Kβ and PI3Kγ have a crucial role in adipocytes differentiation and that they synergize to protect from metabolic syndrome.