Insulinproduktion

### Überblick über die Insulinbiosynthese auf molekularer Ebene

Die Biosynthese von Insulin erfolgt in den β-Zellen der Langerhansschen Inseln (Inseln von Langerhans) im Pankreas. Sie ist ein hochregulierter Prozess, der mit der Transkription des INS-Gens beginnt und mit der Speicherung reifen Insulins in sekretorischen Granula endet. Insulin wird zunächst als Vorläuferprotein (Preproinsulin) synthetisiert, das schrittweise zu Proinsulin und schließlich zu reifem Insulin (51 Aminosäuren, A- und B-Kette durch Disulfidbrücken verbunden) verarbeitet wird. Dieser Weg umfasst Transkription, Translation, posttranslationale Modifikationen und Verpackung. Glukose spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation, indem sie Transkription und Translation stimuliert. Der Prozess ist energieabhängig und findet hauptsächlich im rauhen endoplasmatischen Retikulum (rER), Golgi-Apparat und sekretorischen Granula statt.

### Transkription

Das humane INS-Gen, eine Sequenz von etwa 1500 Basenpaaren auf Chromosom 11, wird in β-Zellen transkribiert, um eine prä-mRNA zu erzeugen. Diese wird durch Splicing (Entfernung von zwei Introns), 5'-Capping mit 7-Methylguanosin und 3'-Polyadenylierung zu reifer mRNA verarbeitet, die für Preproinsulin kodiert. Erhöhte Glukosekonzentrationen aktivieren die Transkription des INS-Gens, erhöhen die Stabilität der mRNA (Halbwertszeit von ~30 Stunden, bis zu dreifach verlängert) und stimulieren die Translation. Dieser glukoseabhängige Weg beinhaltet eine Erhöhung des zyklischen AMP (cAMP)-Spiegels (unabhängig von Adenylatzyklase), Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) und Phosphorylierung schlüsselrelevanter Proteine. Weitere Faktoren wie intrazelluläres Kalzium und Inositoltrisphosphat (IP3) könnten beteiligt sein. Transkriptionsfaktoren wie PDX1 und MAFA fördern die Genexpression spezifisch in β-Zellen.

### Translation

Die reife Insulin-mRNA wird an Ribosomen, die mit dem rER assoziiert sind, translatiert. Das Produkt ist Preproinsulin, ein einzelkettiges Polypeptid (~12.000 Da) mit 110 Aminosäuren, das aus der Proinsulin-Sequenz besteht, erweitert um ein 24 Aminosäuren langes hydrophobes Signalpeptid am N-Terminus. Die Translation und Translokation in das Lumen des rER erfolgen über das Signal Recognition Particle (SRP), das mit dem SRP-Rezeptor in der rER-Membrana interagiert. Dieser Prozess ist ATP-abhängig. Im ER-Lumen wird das Signalpeptid durch Signalpeptidase (am lumenalen Seiten der rER-Membran) gespalten, was zu Proinsulin (~9.000 Da, 86 Aminosäuren) führt. Das Signalpeptid wird rasch im rER abgebaut und ist kein sekretorisches Produkt. Proinsulin umfasst die A-Kette (21 Aminosäuren), B-Kette (30 Aminosäuren) und das dazwischenliegende C-Peptid (30–35 Aminosäuren, flankiert von dibasischen Resten wie Arg-Arg und Lys-Arg). Glukosestimulation verbessert die Translatoreffizienz.

### Posttranslationale Verarbeitung

Proinsulin faltet sich rasch im ER-Lumen und bildet drei Disulfidbrücken (A7-B7, A20-B19 und intra-A-Kette A6-A11) mit Hilfe des oxidativen Faltungsapparats des ER, was eine native tertiäre Struktur ähnlich wie bei Insulin ergibt, mit flexibler C-Domäne. Anschließend wird Proinsulin ATP-abhängig vom rER in den cis- und trans-Golgi-Apparat transportiert und in Prosekretionsvesikel konzentriert. Die Verarbeitung zu reifem Insulin beginnt im trans-Golgi-Netzwerk und setzt sich in kondensierenden Vakuolen (frühen sekretorischen Granula) und reifenden Granula über 1–3 Stunden fort (Halbwertszeit 30–60 Minuten).

Die proteolytische Spaltung des C-Pep tids erfolgt durch Ca²⁺-abhängige Endoproteasen und eine Exopeptidase bei saurem pH (~5,5–6,0), optimal für die Granula-Reifung:

- **PC1/3 (Proprotein Convertase 1/3)**: Spaltet zunächst an der B-Kette/C-Peptid-Verbindung (nach dem dibasischen Paar Arg31-Arg32), was ein Zwischenprodukt erzeugt. Es bevorzugt diese Stelle und ist bei 1 mM Ca²⁺ aktiv. PC1/3 wird als inaktiver Vorläufer synthetisiert; sein Propeptid wird autocatalytisch im Golgi gespalten, was zur aktiven Form führt, die in Granula C-terminal getrunkt wird. Ein Knockout von PC1/3 führt zu hohen zirkulierenden Proinsulinspiegeln.

- **PC2 (Proprotein Convertase 2)**: Spaltet das Zwischenprodukt an der C-Peptid/A-Kette-Verbindung (nach Lys64-Arg65), was Insulin ergibt. Es ist bei 0,1 mM Ca²⁺ aktiv und benötigt das Chaperon Neuroendokrines Protein 7B2 für die Propeptid-Entfernung und Aktivierung in Granula (nicht im Golgi). Der Vollständigkeitsform ist in Granula aktiv. Knockouts von PC2 oder 7B2 führen zu reduzierten Proinsulinspiegeln, aber gestörter Verarbeitung.

Diese Enzyme gehören zur Familie der Kexin/Subtilisin-ähnlichen Proproteinconvertasen (7 Mitglieder), die in β-Zellen und neuroendokrinen Geweben exprimiert sind. Nach den Endoproteolyse-Spaltungen entfernen die dibasischen Reste (Arg-Arg, Lys-Arg) durch **Carboxypeptidase E (CPE)**, eine Exopeptidase homolog zu pankreatischer Carboxypeptidase B. Der Prozess ergibt äquimolares Insulin und C-Peptid, mit 2–3 % Rest-Proinsulin und Zwischenprodukten. Die Sequenz ist: PC1/3 spaltet zu des-64,65-Proinsulin, dann PC2 zu Insulin. Granula werden durch eine intrinsische Protonenpumpe angesäuert (pH 5,0–5,5), was für Verarbeitung und Faltung optimal ist.

### Speicherung

Reifes Insulin wird in glukoseregulierten sekretorischen Vesikeln (large dense-core vesicles, LDCVs) als mikrokristalline Arrays von Zink-Insulin-Hexameren gespeichert. Neu synthetisiertes Insulin kristallisiert mit Zn²⁺-Ionen, die durch den Zink-Transporter ZnT8 in reifende Granula transportiert werden (Knockout beeinträchtigt die Kristallisation). Jedes Hexamer (~36.000 Da) enthält sechs Insulin-Monomere (zwei Zn²⁺-Ionen axial koordiniert durch His B10-Reste), angeordnet als drei Dimer mit T₆-Symmetrie (oder Varianten T₃Rᵢ₃, R₆, moduliert durch pH, Salz oder phenolisches Liganden). Der dichte kristalline Kern enthält Insulin-Hexamere, während lösliches C-Peptid im klaren Peripherie-Bereich liegt. Proinsulin kann in kleinen Mengen als gemischte Hexamere mitkristallisieren. Der Umsatz der Speicherung ist langsam (Stunden bis Tage), und die Sekretion erfolgt Ca²⁺-abhängig via Exozytose, reguliert durch Glukosemetabolismus, Membrandepolarisation (über KATP-Kanal-Schluss) und Ca²⁺-Influx. Nur ein kleiner Bruchteil des gespeicherten Insulins wird selbst bei maximaler Stimulation freigesetzt, was auf eine Regulation auf Sekretionsniveau hinweist. Wenig unregulierte Sekretion von Proinsulin aus dem rER erfolgt.