021-64227627
2 型糖尿病是一項日益嚴峻的全球性健康挑戰，全球病例已超過(guò) 5 億（2023 年）。2 型糖尿病的特征為空腹或餐后血糖水平升高，以及外周胰島素抵抗，這種抵抗會(huì )影響肝臟、脂肪組織和骨骼肌。因此，2 型糖尿病的發(fā)病機制具有顯著(zhù)的異質(zhì)性，疾病進(jìn)展受到遺傳和環(huán)境因素的共同影響。深度表型分析和亞組分層研究表明，2 型糖尿病的不同集群與臨床結局相關(guān)。這種復雜性凸顯了在診斷、預防和治療模式中考慮個(gè)體差異的必要性 。 過(guò)去幾十年中，在推斷胰島素調節葡萄糖攝取的機制以及 2 型糖尿病中抵抗位點(diǎn)方面取得了重大進(jìn)展 3。利用高胰島素 - 正常血糖鉗夾技術(shù)的臨床研究證實(shí)，從數量上看，骨骼肌是胰島素刺激的葡萄糖攝取的主要組織，也是 2 型糖尿病中胰島素抵抗的主要部位。胰島素刺激的葡萄糖攝取受損被認為是一種受體后缺陷，涉及翻譯后修飾以及葡萄糖轉運蛋白 4（GLUT4）向質(zhì)膜的募集不足，而非信號分子或葡萄糖轉運蛋白的豐度降低。
基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)已成為闡明細胞信號調控機制和疾病發(fā)病機制的強大工具。這一方法已在癌癥研究和診斷中得到應用，證實(shí)了蛋白質(zhì)組學(xué)和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)在精準醫學(xué)中的實(shí)用價(jià)值。然而，針對胰島素抵抗相關(guān)組織、且樣本量充足的蛋白質(zhì)組學(xué)專(zhuān)項研究匱乏，這阻礙了 2 型糖尿病領(lǐng)域類(lèi)似靶向策略的開(kāi)發(fā)。要理解 2 型糖尿病內部復雜的異質(zhì)性，需要一種范式轉變。通過(guò)探究表型特征、蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組特征的變異，以及對不同環(huán)境刺激的反應，可以預測致病蛋白質(zhì)和通路的改變，進(jìn)而實(shí)現個(gè)性化策略。有鑒于此，作者利用先進(jìn)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)和深入的體內表型分析，在 120 余名糖耐量正?；蚧加?2 型糖尿病的男性和女性隊列中，繪制了致糖尿病特征與骨骼肌蛋白質(zhì)圖譜的關(guān)聯(lián)。找出了與胰島素抵抗相關(guān)的關(guān)鍵分子通路。骨骼肌的分子特征與胰島素敏感性的臨床標志物密切相關(guān)，而非與空腹血糖控制相關(guān)。
為探究胰島素抵抗和 2 型糖尿病的分子機制，研究團隊招募了 77 名參與者組成發(fā)現隊列，其中包括 34 名 2 型糖尿病患者（女性占 38%）和 43 名糖耐量正常者（女性占 51%）。為驗證觀(guān)察結果，獲取了一項已發(fā)表研究中另外 46 名參與者的樣本組成驗證隊列，該隊列包括 34 名 2 型糖尿病患者（女性占 38%）和 12 名糖耐量正常者（女性占 42%）。每個(gè)隊列都接受了體內血糖表型分析，采用的是臨床相關(guān)診斷指標，如空腹血糖和糖化血紅蛋白（分別用于衡量急性和慢性血糖控制情況），以及空腹胰島素、HOMA1-IR（根據空腹胰島素和血糖估算胰島素抵抗的指標）和高胰島素 - 正常血糖鉗夾試驗得出的 M 值（衡量胰島素敏感性的敏感指標）。在高胰島素 - 正常血糖鉗夾試驗前后均采集了骨骼肌活檢樣本，以便評估個(gè)體在空腹狀態(tài)下的蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組分子特征，以及急性胰島素信號傳導的動(dòng)態(tài)變化。
圖1.
人類(lèi)骨骼肌中胰島素敏感性的蛋白質(zhì)組特征
借助發(fā)現隊列中的異質(zhì)性，以及蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組對胰島素敏感性（M 值）的預測能力，作者開(kāi)展了一項綜合分析，將蛋白質(zhì)水平與 M 值相關(guān)聯(lián)，以闡明個(gè)體蛋白質(zhì)豐度與全身胰島素敏感性之間的關(guān)系。該分析得出了空腹狀態(tài)下蛋白質(zhì)豐度與全身胰島素敏感性之間的 136 種關(guān)聯(lián)（采用肯德?tīng)柕燃壪嚓P(guān)法，錯誤發(fā)現率 [FDR]＜5%），其中熱休克相關(guān) 70kDa 蛋白 2（HSPA2）和 D-β- 羥丁酸脫氫酶（BDH1）分別與胰島素敏感性呈強負相關(guān)和強正相關(guān)。在驗證隊列中重現了這些觀(guān)察結果，且 89% 的變化方向保持一致。值得注意的是，在對 2 型糖尿病患者與糖耐量正常者進(jìn)行離散比較時(shí)，僅發(fā)現 15 種蛋白質(zhì)存在差異。即使在差異調節的蛋白質(zhì)中，診斷組內的異質(zhì)性也相當顯著(zhù)，HSPA2 和 BDH1 的情況便體現了這一點(diǎn)。這一結果凸顯了診斷組內蛋白質(zhì)組圖譜的顯著(zhù)差異，并強調了基于胰島素敏感性等代謝健康連續測量指標來(lái)開(kāi)展高級診斷和靶向治療的必要性。
圖2.
與胰島素敏感性呈正相關(guān)的蛋白質(zhì)涉及氧化磷酸化、脂肪酸降解等代謝通路（圖 2B），這些通路通常與胰島素抵抗和 2 型糖尿病相關(guān) 。相比之下，呈負相關(guān)的蛋白質(zhì)參與的過(guò)程在胰島素抵抗研究中普遍未被充分探索，包括蛋白酶體和泛素介導的蛋白水解，以及 Wnt 信號和腎上腺素能信號。這表明蛋白質(zhì)降解 / 周轉的改變可能促進(jìn)胰島素抵抗的發(fā)生。研究團隊發(fā)現，不同診斷組之間的線(xiàn)粒體總蛋白豐度無(wú)顯著(zhù)差異（圖 2C），這支持了 “臨床表型而非疾病診斷更能反映胰島素抵抗潛在生物學(xué)特征” 的觀(guān)點(diǎn)。然而，線(xiàn)粒體總蛋白豐度與胰島素敏感性相關(guān)（圖 2D），由此作者得出結論：骨骼肌線(xiàn)粒體豐度并非 2 型糖尿病的固有特征，而是與胰島素敏感性相關(guān)。值得注意的是，在調整線(xiàn)粒體豐度的變異后，ATP 合酶復合體（復合體 V）在所有電子傳遞鏈復合體中與胰島素敏感性的相關(guān)性最強（圖 2E）。這些發(fā)現揭示了特定通路與胰島素敏感性的關(guān)聯(lián)，強調蛋白質(zhì)降解可能是胰島素抵抗的一個(gè)促成因素，并表明線(xiàn)粒體豐度反映的是胰島素敏感性而非糖尿病狀態(tài)。
為進(jìn)一步剖析骨骼肌健康狀態(tài)下的代謝機制，作者計算了參與氧化磷酸化（三羧酸循環(huán) + 電子傳遞鏈）和糖酵解過(guò)程的蛋白質(zhì)總豐度。觀(guān)察發(fā)現，從低胰島素敏感性個(gè)體到高胰島素敏感性個(gè)體，氧化磷酸化相關(guān)蛋白的豐度占比從 7% 明顯增加到 10%（圖 2G）。相反，糖酵解相關(guān)蛋白的占比減少，表明隨著(zhù)胰島素敏感性的提高，代謝特征發(fā)生了轉變。此外，作者觀(guān)察到糖酵解 / 氧化蛋白的比例與胰島素敏感性呈負相關(guān)，這表明在不同代謝階段，代謝蛋白結構存在顯著(zhù)差異（圖 2H）。
空腹狀態(tài)下的磷酸化蛋白質(zhì)組圖譜是胰島素敏感性的關(guān)鍵決定因素
接下來(lái)，研究團隊通過(guò)對空腹狀態(tài)下 2 型糖尿病患者與糖耐量正常者的骨骼肌樣本進(jìn)行離散比較，探究了空腹 / 非胰島素刺激狀態(tài)下骨骼肌磷酸化蛋白質(zhì)組的影響。分析顯示，有 43 個(gè)磷酸化位點(diǎn)的磷酸化狀態(tài)發(fā)生改變，包括膜間脂質(zhì)轉運蛋白 VPS13B 的 S206 位點(diǎn)磷酸化上調，以及 α- 內收蛋白（ADD1）的 S358 位點(diǎn)磷酸化下調 —— 這兩種蛋白均已在 2 型糖尿病和胰島素作用相關(guān)研究中被探討過(guò)。 
圖3.
對顯著(zhù)改變的磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行激酶富集分析發(fā)現，與胰島素信號相關(guān)的激酶（如 AKT、AMP 激活的蛋白激酶 [AMPK]、核糖體蛋白 S6 激酶 β1 [RPS6KB1，又稱(chēng) P70S6K] 和核糖體蛋白 S6 激酶 α2 [RPS6KA2，又稱(chēng) RSK-3]）的活性在 2 型糖尿病患者中下調。事實(shí)上，對這些通路中的多個(gè)通路進(jìn)行抑制會(huì )誘發(fā)胰島素抵抗。相反，與轉化生長(cháng)因子 β（TGF-β）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）信號相關(guān)的激酶（包括 BMPR1A/B、酪蛋白激酶 2α 亞基 [CSNK2A2]、TGF-β 受體 1 [TGFBR1]、鈣 / 鈣調蛋白依賴(lài)性蛋白激酶 IIγ 亞基 [CAMK2G] 和糖原合成酶激酶 3α[GSK3A]）的活性上調（已有研究表明，TGF-β 信號增強與嚙齒類(lèi)動(dòng)物和人類(lèi) 2 型糖尿病的發(fā)生發(fā)展相關(guān) 。
圖4.
鑒于空腹 / 基礎狀態(tài)下蛋白質(zhì)與胰島素敏感性存在關(guān)聯(lián)，作者采用類(lèi)似方法探究了蛋白質(zhì)磷酸化與胰島素敏感性的關(guān)聯(lián)。結果顯示，空腹狀態(tài)下有 118 個(gè)磷酸化位點(diǎn)與胰島素敏感性相關(guān)，而僅在胰島素刺激狀態(tài)下相關(guān)的磷酸化位點(diǎn)為 66 個(gè)，這表明大多數磷酸化過(guò)程獨立于急性胰島素作用。聚焦于不依賴(lài)胰島素刺激的、與胰島素敏感性相關(guān)的關(guān)聯(lián)，作者發(fā)現 93% 的此類(lèi)關(guān)聯(lián)在驗證隊列中保持了一致的變化方向。這些發(fā)現凸顯了空腹磷酸化蛋白質(zhì)組對全身胰島素刺激的葡萄糖代謝的預測能力。
胰島素抵抗狀態(tài)下保留及失調的胰島素信號傳導
胰島素信號傳導介導多種代謝及合成代謝反應。本研究發(fā)現，經(jīng) 30 分鐘胰島素刺激后，有 243 個(gè)磷酸化位點(diǎn)受到調控。其中包括經(jīng)典胰島素信號蛋白的磷酸化水平升高，如 TBC1 結構域家族成員 4（TBC1D4）的 S341 位點(diǎn)、富含脯氨酸的 AKT1 底物 1（AKT1S1）的 T246 位點(diǎn)、結節性硬化蛋白 2（TSC2）的 T1462 位點(diǎn)，以及一些研究較少的蛋白，如 PAT1 同源蛋白 1（PATL1）的 T194 位點(diǎn)。對這些受胰島素調控的磷酸化位點(diǎn)（TSC2 T1462、AKT1S1 S183、AKT1S1 T246）進(jìn)行靶向定量，驗證了觀(guān)察到的胰島素刺激引起的升高。
受胰島素調控的位點(diǎn)富集于與蛋白質(zhì)激活、抑制、定位、蛋白質(zhì)間相互作用及疾病相關(guān)的調控功能。無(wú)偏倚的激酶富集分析顯示，與胰島素和自噬信號相關(guān)的經(jīng)典胰島素激活激酶被激活，包括 PDK1、mTOR、AKT、SGK1、S6K（RPS6KB1）和 RSK（RPS6KA1、-3 和 - 6）（錯誤發(fā)現率＜5%；圖 4B 和 4C）。此外，還發(fā)現了幾種先前未被描述的胰島素激活激酶，包括雙皮質(zhì)素樣激酶 1（DCLK1）、細胞周期蛋白依賴(lài)性激酶（CDK）-2、-6、-16，以及絲氨酸 / 蘇氨酸蛋白激酶 11（NEK11）。
為了確定上游激酶，研究團隊分析了人 AMPKγ3 S65 周?chē)男蛄?，發(fā)現預測概率最高的激酶是 MAP 激酶激活的蛋白激酶 2（MAPKAPK2）和 CAMK2 家族成員。MAPKAPK2 是 p38 激酶的直接下游靶標，可調節細胞應激和炎癥反應，因此在胰島素抵抗中觀(guān)察到的 p38/JNK 激酶活性升高與 AMPKγ3 S65 磷酸化增加之間建立了機制上的聯(lián)系。
為進(jìn)一步探究這一點(diǎn)，作者用選擇性 MAPKAPK2 抑制劑 CC-99677 處理原代人骨骼肌肌管（圖 3I）。除了預期的熱休克蛋白 β1（HSPB1）S15 磷酸化水平降低（HSPB1 是已知的 MAPKAPK2 底物）外，質(zhì)譜分析顯示，人肌管經(jīng) CC-99677 處理后，AMPKγ3 S65 的磷酸化水平也顯著(zhù)降低（圖 3I）。通過(guò)在異位表達人 AMPKα2β2γ3 的 AMPKα1/α2 雙敲除（DKO）HEK293 細胞中使用內部生成的 AMPKγ3 S65 磷酸化特異性抗體，這一結果得到了證實(shí)（圖 S5B-S5D）。這些數據表明 MAPKAPK2 是 AMPKγ3 S65 的上游調節因子。此外，對發(fā)現隊列骨骼肌中 HSPB1 S82 的靶向磷酸肽定量分析顯示，其與胰島素敏感性呈負相關(guān)，表明在胰島素抵抗狀態(tài)下 MAPKAPK2 活性升高（圖 3H）。
總之，研究團隊通過(guò)運用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，本研究利用 2 型糖尿病病理生理學(xué)中固有的異質(zhì)性，闡明了胰島素抵抗的潛在機制。揭示了骨骼肌胰島素抵抗的一些先前未被識別的特征，這些特征是傳統比較方法無(wú)法檢測到的。在此過(guò)程中，確定了與胰島素抵抗相關(guān)的關(guān)鍵分子通路?？傮w而言，這些發(fā)現強調了將疾病異質(zhì)性納入診斷分類(lèi)的重要性，并支持為 2 型糖尿病治療開(kāi)發(fā)基于機制的靶向治療策略的必要性。
全文鏈接：
Personalized molecular signatures of insulin resistance and type 2 diabetes. Cell. 2025 Jul 24;188(15):4106-4122.e16. doi: 10.1016/j.cell.2025.05.005. Epub 2025 May 27.
