Insulin-Degrading Enzyme is a modulator of pancreatic beta-cell function via primary cilium and cytoskeletal dynamics

Abstract

Primary cilia are microtubule-based organelles essential for cellular signaling and the integration of extracellular cues. These structures are present in pancreatic beta cells, where they play a key role in regulating cell function, particularly in the integration of paracrine signals from neighboring cells. Recent studies have implicated primary cilia dysfunction in the pathogenesis of diabetes. The microtubule cytoskeleton is also central to orchestrating the dynamic changes required for efficient insulin vesicle trafficking and secretion. These microtubules extend from the Golgi apparatus to the plasma membrane and are highly dynamic, responding to metabolic changes such as glucose levels. Insulin-degrading enzyme (IDE) is expressed in pancreatic β-cells, where it plays a major role in the regulation of insulin secretion. While our group has previously reported that IDE is decreased in β-cells of type 2 diabetes (T2D) patients, the therapeutic potential of targeting IDE remains unclear. The aim of this study was to elucidate the physiological role of IDE in pancreatic β-cell function, particularly through its regulation of the tubulin cytoskeleton and primary cilium. We also investigated how IDE influences β-cell behavior under both stimulatory and inhibitory glucose conditions. To this end, we partially inhibited IDE expression both in vitro using shRNA silencing in two β-cell models (Min6-shIDE, Ins1E-shIDE), and in vivo by generating a mouse line with β-cell-specific Ide ablation (B-IDE-HT). In these models, we evaluated β-cell function and metabolic responses to glucose. Additionally, we analyzed the primary cilium and the microtubule network under these conditions. To better understand the role of the primary cilium in paracrine signaling, we used a Min6-IFT88-KD model, which lacks primary cilia. Our results demonstrated that physiological levels of IDE are essential for proper β-cell function. IDE knockdown impaired glucose-stimulated insulin secretion and calcium dynamics, altered the tubulin cytoskeleton, and reduced the number and size of primary cilia. Moreover, insulin and glucagon receptors were dysregulated in IDE-deficient cells. Interestingly, IDE is not located in the primary cilium but partially colocalizes with the Golgi apparatus (~45%). In cells lacking primary cilia (IFT88-KD), we observed reduced levels of insulin and glucagon receptors, while IDE expression and glucagon signaling remained unchanged. These findings indicate that IDE regulates β-cell function by modulating cytoskeletal dynamics and ciliogenesis, which in turn affect paracrine receptor expression. We propose that IDE plays a critical role in regulating insulin secretion and the integration of paracrine signals in pancreatic β-cells through the control of tubulin cytoskeleton dynamics and primary cilium structure. Dysregulation of these processes in the absence of IDE leads to β-cell dysfunction. These findings highlight IDE as a potential therapeutic target for preserving β-cell function and preventing the development of diabetes.

Los cilios primarios son orgánulos formados por microtúbulos esenciales para la señalización celular y la integración de señales extracelulares. Estas estructuras están presentes en las células beta pancreáticas, donde desempeñan un papel clave en la regulación de su función, especialmente en la integración de señales paracrinas procedentes de células vecinas. Estudios recientes han relacionado la disfunción de los cilios primarios con la patogénesis de la diabetes. Por otro lado, el citoesqueleto de microtúbulos también es fundamental para orquestar los cambios dinámicos necesarios para el tráfico y la secreción eficiente de vesículas de insulina. Estos microtúbulos, que se extienden desde el aparato de Golgi hasta la membrana plasmática, son altamente dinámicos y responden a cambios metabólicos como los niveles de glucosa. La enzima degradadora de insulina (IDE) se expresa en las células β pancreáticas, donde juega un papel importante en la regulación de la secreción de insulina. Aunque nuestro grupo ha demostrado previamente que los niveles de IDE están reducidos en las células β de pacientes con diabetes tipo 2 (DM2), el potencial terapéutico de dirigirse a esta enzima sigue siendo incierto. El objetivo de este estudio fue esclarecer el papel fisiológico de IDE en la función de las células β pancreáticas, particularmente a través de su regulación del citoesqueleto de tubulina y la estructura del cilio primario. Además, investigamos cómo IDE influye en el comportamiento de las células β en condiciones tanto estimulantes como inhibitorias de glucosa. Para ello, inhibimos parcialmente la expresión de IDE mediante silenciamiento con shRNA en dos modelos celulares (Min6-shIDE, Ins1E-shIDE), y generamos un modelo murino con deleción específica de Ide en células β (B-IDE-HT). En estos modelos, evaluamos la función de las células β y su respuesta metabólica a la glucosa. Asimismo, analizamos el cilio primario y la red de microtúbulos en estas condiciones. Para profundizar en el papel del cilio en la señalización paracrina, utilizamos un modelo Min6-IFT88-KD, carente de cilio primario. Nuestros resultados demostraron que niveles fisiológicos de IDE son esenciales para una correcta función de las células β. La inhibición de IDE desreguló la secreción de insulina estimulada por glucosa y la dinámica del calcio, alteró el citoesqueleto de tubulina y redujo el número y tamaño de los cilios primarios. Además, las células deficientes en IDE mostraron una desregulación de los receptores de insulina y glucagón. Curiosamente, IDE no se localiza en el cilio primario, pero colocaliza parcialmente con el aparato de Golgi (~45%). En células sin cilio (IFT88-KD), observamos una disminución de los receptores de insulina y glucagón, mientras que la expresión de IDE y la señalización del glucagón no se vieron afectadas. Estos hallazgos indican que IDE regula la función de las células β mediante la modulación de la dinámica del citoesqueleto y la ciliogénesis, afectando así la expresión de los receptores paracrinos. Proponemos que IDE desempeña un papel crucial en la regulación de la secreción de insulina y en la integración de señales paracrinas en las células β pancreáticas a través del control de la dinámica del citoesqueleto de tubulina y de la estructura del cilio primario. La desregulación de estos procesos en ausencia de IDE conduce a una disfunción de las células β. Estos hallazgos posicionan a IDE como una potencial diana terapéutica para preservar la función de las células β y prevenir el desarrollo de la diabetes.