Efecto de los niveles de GRK2 en la modulación de la homeostasis glucémica en situaciones fisiopatológicasinfluence of GRK2 levels in the modulation of glucose homeostasis in health and disease

Abstract

La regulación de la homeostasis glucémica es esencial en la adaptación a diferentes estados nutricionales, y su alteración está asociada a diversos desórdenes metabólicos. La quinasa de receptores acoplados a proteínas G (GRK2) constituye un importante nodo en la regulación del metabolismo debido a su singular capacidad de modular tanto receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) como la vía de la insulina. Se ha descrito que los niveles o actividad de GRK2 están elevados en pacientes y modelos animales de obesidad y resistencia a insulina, pero su contribución a la diferente predisposición a estas condiciones, según el sexo y/o la edad, así como su papel en la homeostasis glucémica en situaciones no patológicas, aún no ha sido completamente caracterizado. En esta tesis describimos que la regulación de los niveles de GRK2 es importante en la adaptación fisiológica a diferentes estados nutricionales. Ratones hemicigotos para GRK2 (GRK2+/-) muestran una mayor secreción de insulina tras la ingesta, tras una administración oral de glucosa o en respuesta a ligandos miméticos de incretinas, como los agonistas del receptor del péptido similar al glucagón tipo 1 (GLP-1R). La mayor liberación de insulina se produce desde el conjunto de gránulos listos para liberarse (RRP), lo que afecta específicamente a la fase temprana de la secreción de insulina. Ni la fisiología pancreática básica ni la vía canónica de secreción de insulina se ven afectadas por cambios en la dosis de GRK2, lo que se confirmó también en islotes aislados. Además, GRK2 se recluta al GLP1-R activado y tanto la proteína como su actividad quinasa son necesarias para la posterior asociación de β-arrestina a este receptor. Durante el ayuno, GRK2 se degrada en el hígado de ratón por autofagia, y no por la vía del proteosoma. Esta disminución transitoria de GRK2 es necesaria para una adaptación óptima de la respuesta metabólica al ayuno, y sus niveles se recuperan tras la realimentación. Si se impide la reducción de GRK2 durante el ayuno mediante su sobreexpresión en el hígado por medio de adenovirus, se limita la respuesta hepática a glucagón, lo que provoca una menor activación de la gluconeogénesis y una menor inducción de la expresión de Pck1. Esto reduce la producción hepática de glucosa y la glucemia e incrementa los cuerpos cetónicos en sangre. Además, en esta tesis se investigaron las posibles diferencias en la modulación de GRK2 según el sexo y la edad durante las alteraciones metabólicas producidas por una dieta alta en grasa. Descubrimos un paralelismo entre el aumento de los niveles de GRK2 y el desarrollo de un fenotipo de obesidad y resistencia a insulina en ratones macho jóvenes y hembras de mediana edad, mientras que las hembras jóvenes mantuvieron niveles menores de GRK2 y una aparente protección al desarrollo de estas alteraciones metabólicas. En resumen, nuestros resultados indican que GRK2 actúa como un nodo integrador esencial en la regulación de la homeostasis glucémica, modulando GPCRs claves para el metabolismo, como GLP-1R y el receptor de glucagón y la señalización de insulina. Además, revelan una correlación entre la dosis de GRK2 y la diferente susceptibilidad según el sexo y la edad al desarrollo de obesidad y resistencia a insulina. Estos datos consolidan a GRK2 como una potencial diana terapéutica en la prevención y el tratamiento de enfermedades metabólicas. "Regulation of glucose homeostasis is essential in the adaptation to different nutritional states and its dysregulation is linked to several metabolic disorders. G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) has emerged as an important signalling node in the regulation of metabolism given its unique potential to modulate both G protein-coupled receptors (GPCRs) and the insulin pathway. Importantly, increased GRK2 levels or activity have been found in humans and animal models of obesity and insulin resistance, but its contribution to the sex- and age-dependent differential sensitivity observed in these conditions, and the possible modulation by GRK2 of glucose homeostasis under a non-pathological context remained to be fully characterized. We herein report that GRK2 levels play an important role in the physiological adaptation to varying nutritional states. We find increased insulin secretion in mice with reduced GRK2 dosage (GRK2+/-) in response to feeding, oral glucose gavage or administration of incretin mimetics, such as glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) agonists. GRK2+/- animals display a more efficient insulin release from the readily releasable pool of insulin granules, specifically impinging on the early phase of insulin secretion. Changes in GRK2 levels do not affect basic pancreatic physiology or the canonical pathway for insulin secretion, as confirmed also in isolated pancreatic islets. We also describe that GRK2 is recruited to the activated GLP-1R and that both the protein and its kinase activity are required for subsequent association of β-arrestin to the receptor. During starvation, GRK2 undergoes autophagy-mediated, and not proteasome-dependent, degradation selectively in the mouse liver and not in other tissues. This effect can be recovered by refeeding and is required for an optimal adaptation of the metabolic responses to fasting. Preventing a complete downregulation of hepatic GRK2 by adenovirus-driven overexpression limits the extent of glucagon effects during fasting and leads to a lower activation of gluconeogenesis, with less induction of Pck1 expression. This causes a reduced hepatic glucose output and decreased glycaemia and a compensatory increase in blood ketone body levels. Furthermore, we explore here the potential sex- and age-related differences in the modulation of GRK2 during the metabolic dysregulation induced by high-fat diet (HFD). Interestingly, we uncover a parallelism between the profile of GRK2 upregulation and the establishment of an obese and insulin-resistant phenotype in male and middle-aged female mice, while young females preserve lower GRK2 levels and a relative protection from these metabolic alterations. In sum, our findings indicate that GRK2 acts as an essential integrative node in the regulation of glucose homeostasis, impinging both on key metabolic GPCRs, such as GLP-1R and glucagon receptor, and on insulin signalling. They also unveil the correlation of GRK2 levels with sex- and age-dependent susceptibility to obesity and IR. These results consolidate GRK2 as a prospective therapeutic target in the prevention and treatment of metabolic pathologies.