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胰岛素抵抗之谜?Cell Metab:磷酸化组深度解析2型糖尿病致病背后机制

糖尿病严重威胁人类健康,90%属于2型糖尿病(T2D)。研究表明,骨骼肌胰岛素抵抗是导致T2D的重要原因,它出现在疾病发生之前,并且可以预测疾病进展。然而,由于激素和循环代谢物的变化,它在多大程度上反映了原发性缺陷或继发性组织交流尚不清楚,且对于深入的信号机制网络变化不够清晰。

2020年9月,美国哈佛医学院C. Ronald Kahn、丹麦哥本哈根大学Matthias Mann等研究团队在《Cell metabolism》发表“A Cell-Autonomous Signature of Dysregulated Protein Phosphorylation Underlies Muscle Insulin Resistance in Type 2 Diabetes”研究文章,使用分化为成肌细胞(iMyos)的T2D患者iPS细胞,开发了一种疾病体外模型,通过定量磷酸化蛋白组学技术分析T2D iMyos中多维信号缺陷网络,为揭示T2D基本缺陷背后细胞机制提供新维度。

研究材料:健康对照(CTL,8人,4男4女)与T2D患者(8人,4男4女)iPS细胞分化成的成肌细胞(iMyos)

技术方法:磷酸化蛋白组学

实验路线图:

研究结果

1. 构建患者特异性iPSCs并诱导其向iMyos的分化

研究者利用仙台病毒从T2D患者和糖耐量正常对照(CTL)中获取iPSC细胞株,后续通过鸡尾酒方法(cocktail-based approach)经两步将iPSC分化为骨骼肌成肌细胞(iMyos)。

患者特异性iPSCs的产生及其向iMyos的分化

2. T2D患者iMyos呈现胰岛素抵抗现象

为了研究与T2D相关的潜在细胞缺陷情况,研究者利用免疫印迹,葡萄糖摄取实验以及线粒体功能评估实验发现T2D-iMyos中胰岛素信号、葡萄糖摄取和信号传导以及线粒体底物氧化反应受损,这与患者肌肉中观察到的变化非常相似。

T2D患者的iMyos出现胰岛素抵抗现象

3. 磷酸化组学检测揭示T2D iMyo中胰岛素通路发生变化

为了系统揭示相关病理机制,研究者对所有16个CTL和T2D iMyo细胞系胰岛素处理前后均进行了磷酸蛋白质组学分析,共鉴定到96,000个位点,定量到29,148个位点,其中1172个位点显著变化。层次聚类分析可将差异位点分为4大类(胰岛素影响和T2D影响)。激酶分析发现,与胰岛素作用相关的差异位点对多种激酶有很强的富集作用,包括AKT、mTOR、RSK激酶以及PKC家族的许多成员。通路分析发现T2D影响了胰岛素通路中IRS,AKT和mTORC1 的磷酸化修饰。

磷酸蛋白质组学揭示T2D-iMyos中IRS/AKT/mTOR信号失调

4. 进一步分析发现T2D iMyos中控制关键细胞功能蛋白磷酸化修饰发生广泛变化

接下来研究者对T2D引发的差异磷酸化情况进行系统分析,下调位点的磷酸化蛋白主要参与了mRNA剪接和mRNA代谢、囊泡运输、基因转录和Rho GTPases信号传导等通路;上调位点的蛋白则是在RNA代谢、信号转导、染色质修饰和细胞周期相关等途径中比例较高。

上下调磷酸化位点蛋白功能分析

小编总结

本研究从疾病模型构建出发,生化实验证实模型T2D iMyos表现出多种反映人类疾病的缺陷,最后利用深度磷酸化蛋白质组学技术系统全面解析了T2D iMyos信号缺陷的多维网络,这些细胞自主性缺陷和蛋白质磷酸化网络的失调揭示了T2D基本缺陷背后深层次的分子机制,也为T2D疾病的早期治疗提供了新的研究思路。

T2D信号网络失调综合图

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