Vad driver insulinresistens? Proteomics avslöjar nyckelvägar i mänsklig skelettmuskel

Vad driver insulinresistens? Proteomics avslöjar nyckelvägar i mänsklig skelettmuskel

Genom att förstå hur fastande muskelproteiner signalerar insulinresistens, banar denna studie väg för personliga behandlingar för typ 2-diabetes baserade på individuella molekylära profiler.

​Studera:Personliga molekylära signaturer av insulinresistens och typ 2-diabetes. Fotokredit: Mikrogen/Shutterstock.com

En studie som nyligen publicerades i tidskriftencellanvände den senaste proteomteknologin för att kartlägga de molekylära signaturerna av insulinresistens hos patienter med diabetes.

Förstå heterogenitet i typ 2-diabetes

Typ 2-diabetes (T2D) är en snabbt växande metabolisk sjukdom som kännetecknas över hela världen av förhöjda blodsockernivåer under fasta eller efter matintag.

T2D är också associerat med perifer insulinresistens, vilket påverkar skelettmuskulatur, lever och fettvävnad. En nyligen genomförd studie dokumenterade att över 500 miljoner människor världen över lever med T2D.

Genetiska och miljömässiga faktorer påverkar den heterogena patogenesen av T2D. Subgruppstratifiering och djup fenotypning möjliggjorde identifieringen av distinkta T2D-kluster associerade med olika kliniska resultat.

Detta fynd understryker behovet av att överväga kontinuerlig variation i metabolisk funktion vid diagnos och behandling av patienter, eftersom traditionella diagnostiska kategorier (som T2D eller normal glukostolerans) kanske inte helt fångar den underliggande biologin.

Tidigare studier har visat att skelettmuskulaturen är den primära vävnaden förknippad med insulinstimulerat glukosupptag och den huvudsakliga platsen för insulinresistens i T2D.

Felaktigt insulinstimulerat glukosupptag kan bero på en post-receptordefekt, såsom: Det minskar mängden signalmolekyler eller glukostransportörer under normala förhållanden.

En omfattande systemomfattande bedömning behövs för att utveckla personliga behandlingar för att identifiera individuella insulinsignalskillnader som bidrar till T2D-heterogenitet.

Även om masspektrometri-baserad proteomik har använts avsevärt inom cancerforskning, har få proteomiska studier i relevanta vävnader relaterade till insulinresistens använt denna strategi.

Att identifiera skillnaderna i fenotypiska egenskaper, proteom- och fosfoprotomsignaturer och differentiella svar på miljöstimuli kan hjälpa till att bestämma förändringar i orsakande proteiner och vägar. Denna information kan möjliggöra utvecklingen av personlig medicin för T2D.

Om studien

Den aktuella studien använde proteomikteknologi och djupIn vivoFenotypning för att kartlägga diabetogena egenskaper baserat på proteinlandskapet hos normala och diabetiska individer.

Både män och kvinnor med normal glukostolerans (NGT) eller T2D rekryterades. Alla deltagare matchades utifrån ålder, kön, body mass index (BMI) och rökstatus.

Varje deltagare som uppvisar högt blodtryck (över 160/100 mm Hg), aktivt använder nikotin, diagnostiserats med hjärt-kärlsjukdom (CVD), eller som behandlas med warfarin, insulin, kortikosteroider eller litium.

Biopsiprov erhölls frånVastus lateralisMuskulatur hos berättigade deltagare före och under den hyperinsulinemiska-uglykemiska klämman.

Detta tillvägagångssätt möjliggjorde identifiering av proteomiska och fosfoproteomiska molekylära signaturer hos individer i snabbt tillstånd och dynamiken i akut insulinsignalering.

Det är anmärkningsvärt att de flesta kvinnor i studien var post- eller peri-menopausala, vilket kan påverka de metaboliska jämförelserna.

Valideringskohorten erhölls från en tidigare publicerad studie för att bekräfta reproducerbarheten av resultaten.

Studiedesign

Upptäcktskohorten inkluderade 77 deltagare och användes för att bestämma det molekylära landskapet för insulinresistens och typ 2-diabetes (T2D). Av dessa diagnostiserades 34 deltagare med T2D och 43 individer hade NGT.

En valideringskohort utvecklades för att validera resultaten, bestående av 34 individer med T2D och 12 matchade deltagare som utförde NGT.

Alla deltagare i varje kohort genomgick in vivo glykemiska fenotyper som visade förhöjda fasteglukosnivåer, HOMA-IR och fastande insulinnivåer hos individer med T2D. Minskade hyperinsulinemisk-euglykemiska klämmor-härledda M-värden visade på minskad insulinkänslighet i hela kroppen.

Studieresultat

En signifikant heterogenitet i m-värde för insulinkänslighet observerades. Intressant nog, vissa deltagare med T2D visade högre insulinkänslighet än de med normal glukostolerans, trotsade konventionella diagnostiska metoder och stödde ett precisionsmedicinskt tillvägagångssätt.

Experimentella fynd visade på betydelsen av skelettmuskulatur, särskilt fosfo-signalering, i hela kroppens insulinkänslighet.

Variation i det proteomiska landskapet observerades inom diagnostiska grupper. Stratifierade proteom-fenotypföreningar visade att mitokondrieproteininnehållet var starkt korrelerat med hela kroppens insulinkänslighet. Mitokondriell överflöd var dock inte en unik egenskap för T2D-diagnos, vilket tyder på att det speglar insulinkänslighet snarare än sjukdomsstatus.

Dessutom implicerar studien nya proteinnedbrytnings- och omsättningsvägar, inklusive proteasom- och ubiquitin-medierad proteolys, såväl som Wnt och adrenerg signalering, som är negativt korrelerade med insulinkänslighet. Detta tyder på att förändrad proteinomsättning kan bidra till insulinresistens.

Däremot var högre förekomst av glykolytiska enzymer negativt korrelerad med insulinkänslighet.

Studien visade också att förhållandet mellan laktatdehydrogenasisoformer (LDHA/LDHB) och de övergripande stökiometriska förhållandena mellan glykolytiska och oxidativa fosforyleringsproteiner gav ytterligare insikt i metabolisk variation via individuellt proteinöverflöd.

Totalt 118 fosfositer var associerade med insulinresistens i fastande tillstånd, jämfört med 66 fosfositer enbart i insulinstimulerat tillstånd. Oväntat fann studien att fosfoproteomsignaturer från fastande tillstånd förutspådde insulinkänslighet ännu starkare än de i insulinstimulerat tillstånd.

Anrikningsanalys visade att aktivering av C-Jun N-terminalt kinas (JNK) och P38-familjen kinaser var associerat med insulinresistens. Därför kan JNK-P38-vägen vara en dominerande drivkraft för avvikande human skelettmuskelsignalering i insulinresistens.

Cellulära analyser bestämde också rollen för MAP-kinasaktiverat proteinkinas 2 (MAPKAPK2) som en uppströmsregulator av AMPKy. 3 S65, som är avgörande för att reglera skelettmuskelns insulinkänslighet.

AMPKy3-S65-stället visade sig vara unikt hos människor och starkt korrelerat med insulinresistens, vilket tyder på att det kan fungera som en mänsklig specifik markör eller terapeutiskt mål.

Den aktuella studien visade den komplexa karaktären hos oreglerade signalvägar i insulinresistens. Viktigt är att forskarna fann att även om det fanns en försämring av vissa signalvägar, förblev andra komponenter som Akt och några av dess nedströmssubstrat fungerande även hos mycket insulinresistenta individer, vilket visar att insulinresistens inte påverkar alla signalnoder lika.

Studien observerade distinkta könsskillnader i proteomen och fosfoprotomen. De molekylära signaturerna för insulinresistens förblev dock i stort sett lika mellan män och kvinnor.

Medan män visade högre uttryck av proteiner relaterade till glukosmetabolism, visade kvinnor högre uttryck av proteiner relaterade till lipidmetabolism. Men skillnader i kinasaktivitet framkom också, såsom: B. CAMK2 och mTOR-signalering. Detta belyser relevansen av kön som en biologisk variabel.

Trots dessa skillnader var signalsignaturer associerade med insulinresistens till stor del bevarade mellan könen.

restriktioner

Författarna noterar att studiens kliniska forskningsdesign identifierade samband snarare än orsaksmekanismer. Heterogeniteten hos typ 2-diabetes ökar komplexiteten, och provet kanske inte är komplett av alla T2D-fenotyper eller demografisk mångfald.

Majoriteten av kvinnorna var post- eller peri-menopausala, och potentiella störande faktorer som kost och mediciner kontrollerades inte i stor utsträckning. Ytterligare studier, särskilt angående den funktionella rollen för AMPKy3-S65-stället, krävs.

Slutsatser

Den aktuella studien identifierade de viktigaste molekylära vägarna associerade med insulinresistens. Skelettmuskelns molekylära signatur var starkt associerad med kliniska markörer för insulinkänslighet än med fastande glukoskontroll.

Proteom- och fosfoprotomsignaturerna hos fastande skelettmuskler identifierades som signifikanta bestämningsfaktorer för hela kroppens insulinkänslighet.

Selektiva komponenter av insulinsignalering såsom Akt-substrat förblev närvarande även hos insulinresistenta patienter. Detta tyder på att insulinresistens inte påverkar alla signalvägar lika.

Studien stödjer behovet av att gå bortom kategoriska diagnostiska grupperingar och istället fokusera på individualiserade, mekanistiskt informerade strategier för T2D-vård.

Framtida forskning behöver ta hänsyn till heterogeniteten i T2D bland patienter och fokusera på att utveckla skräddarsydda strategier för T2D-behandling.

Källor: