抽丝剥茧，Nat Commun | 蛋白质组学研究揭示糖尿病引发β细胞线粒体代谢抑制的原因
景杰学术/解读
糖尿病是一种与生活因素和遗传因素密切相关的复杂代谢性疾病，蛋白质组学作为一种强大的高通量分析工具，被广泛应用在其疾病机理、药物靶点研究、生物标记物筛选、疾病分型等研究。6月4日，来自德国马普生物化学研究所的Matthias Mann团队在Cell Metabolism上发表文章，利用磷酸化修饰组学探寻影响胰岛素分泌的分子信号通路，发现GSK3-PDX1轴是糖尿病的关键致病信号节点。（延伸阅读：洞悉入微，CELL METAB | 磷酸化组学揭示糖尿病的关键致病信号节点）
6月6日，国际专业学术期刊Nature Communications (IF=12.353)发表了牛津大学生理学系的Frances M. Ashcroft教授课题组糖尿病蛋白质组学最新研究成果。研究者运用全面的多组学方法，结合线粒体代谢的功能分析，详细阐述了β细胞代谢受损在人类2型糖尿病发展中的重要作用。
β细胞功能缺陷和胰岛素抵抗是2型糖尿病最基本的病理生理学特征，线粒体在β细胞胰岛素分泌中起重要作用。之前的研究也明确了β细胞功能的异常是导致糖代谢正常人群出现糖调节异常和糖调节异常人群进展为2型糖尿病的最关键因素，也是病情逐渐进展和恶化的最关键因素。因此，保护和恢复β细胞功能将是预防和治疗2型糖尿病最重要的理念和策略。然而β细胞在2型糖尿病中对葡萄糖反应的进行性衰竭的分子机制仍未得到解决。
研究人员运用全面的多组学方法发现，糖尿病和高血糖都会引起胰腺β细胞代谢的显著变化， 通常在响应葡萄糖时所发生的线粒体代谢的增加会被消除，从而导致葡萄糖不能提高NADH或增加ATP合成的速率。这与多种代谢基因和蛋白质的表达的显著变化有关，最明显的是涉及TCA循环和ETC的那一类。作者的研究结果为糖尿病引起的代谢受损和胰岛素分泌变化提供了新的病理机制，也验证了β细胞代谢改变可能是加速糖尿病发病进展的关键原因。
一、动物模型与转录组、蛋白组联合分析
为了探寻糖尿病对β细胞代谢的影响，研究者选择βV59M小鼠模型，一种携带了KATP通道突变（该突变在新生儿糖尿病患者中被发现）的动物模型。并特异性地在胰腺β细胞中使用tamoxifen诱导开放KATP通道，使得β细胞发生电沉默并抑制胰岛素分泌，从而诱发糖尿病。
研究人员对从对照小鼠和已患糖尿病2周的βV59M小鼠分离的胰岛组织，进行转录组和全局蛋白质组学分析（label-free法）。RNA测序鉴定了所有样品中的13362种蛋白质编码或lincRNA转录物，与对照小鼠胰岛相比，有2795多种在2周糖尿病小鼠胰岛中发生改变。糖尿病小鼠胰岛中512个基因的表达增加大于2倍，而362个基因的表达减少大于 2倍。在两个数据集中共鉴定出3066种蛋白质，其中1281种在对照小鼠和2周糖尿病小鼠胰岛中有显著差异。
二、糖尿病上调多元醇途径、戊糖磷酸途径和三羧酸（TCA）循环的基因和蛋白水平
研究人员进一步对糖尿病调控的代谢通路进行分析（图1）。使用KEGG，Hallmark或Biocarta同时分析转录组和蛋白质组数据，在这两种数据类型富集的24个基因组RNAseq和蛋白质组学数据中存在相当大的重叠，同时代谢途径也受到特别显著的影响（图1a）。糖尿病小鼠胰岛（图1b，c）和多元醇途径（图1d），磷酸戊糖途径（PPP，图1e）和类固醇/胆固醇生物合成几乎所有糖酵解酶都被显著上调。实际上，醛缩酶B是所有蛋白质中上调最多的，并且果糖/葡萄糖转运蛋白SLC5A10的mRNA和蛋白质水平也显著增加。相反，参与氧化磷酸化和支链氨基酸代谢的途径显著减少。
图1 转录组和蛋白组联合分析相关数据
三、糖尿病影响胰岛细胞线粒体特征
接着作者在分离的对照组和2周糖尿病βV59M小鼠胰岛中， 对线粒体基因的mRNA和蛋白质水平进行热图分析。 他们发现参与氧化磷酸化的许多基因/蛋白质也被下调（图2）。例如，在ETC的复合物I中鉴定的34种蛋白质中，17种显著下调（63％），3种未改变，2种上调。他们还鉴定了11种对ATP合成酶（复合物V）有贡献的蛋白质，其中5种蛋白质显著下调，2种蛋白质上调。虽然外部线粒体膜转运蛋白基本不变，但一些内部线粒体转运蛋白，如SLC25A42或TIMM13，在糖尿病胰岛中减少。甘油磷酸盐穿梭的两个关键酶，其将电子从糖酵解中产生的NADH转移到电子传递链的复合物II（GPD1和GPD2），都在mRNA和蛋白质水平上调。相比之下，苹果酸 - 天冬氨酸穿梭的大多数酶没有变化，而ARALAR2（线粒体天冬氨酸 - 谷氨酸转运蛋白）和MDH2（线粒体苹果酸脱氢酶）在蛋白质水平上显著降低。
图2 对照（Ctl）和糖尿病（Diab）胰岛中的线粒体特征
四、相关分子机制总结
作者的研究表明，高血糖会损害线粒体代谢并减少葡萄糖诱导的胰岛素分泌所需的ATP增加。这种代谢变化具有深远的功能性结果，因为线粒体代谢对于GSIS是必需的。缺乏ATP将损害KATP通道闭合，从而影响膜去极化、钙内流和胰岛素颗粒胞吐作用。这将进一步提高血糖并引发恶性循环，其中胰岛素分泌受损导致进一步的葡萄糖升高。本文的数据为糖尿病进展是由高血糖驱动的观点提供了强有力的支持。
此外作者提出遗传和生活方式因素的组合，可能因个体而异导致胰岛素释放的少量减少和适度的血糖升高（图3）。慢性高血糖症进一步损害胰岛素分泌，增强高血糖并引发恶性循环，从而加剧β细胞功能的逐渐恶化和葡萄糖耐量降低从而转化为明显的糖尿病。由于高血糖症对于所有形式的糖尿病都是常见的，因此预计该过程可发生在所有类型的糖尿病中，包括新生儿糖尿病和T1D，他们的数据表明高血糖可能导致β细胞功能受损。
图3 葡萄糖的小幅上升如何通过逐渐损害β细胞代谢而导致进展为糖尿病的恶性循环
总而言之，通过使用转录组学和蛋白质组学分析，作者发现糖尿病βV59M小鼠的胰岛中主要代谢途径发生了显著失调。参与糖酵解/糖异生的多个基因/蛋白质被上调，而参与氧化磷酸化的那些被下调。在分离的胰岛中，葡萄糖诱导的NADH和ATP增加受损，氧化和糖酵解葡萄糖代谢均降低。在高葡萄糖长期培养的INS-1β细胞显示蛋白质表达的类似变化，并且葡萄糖刺激的氧消耗也发生降低。这些数据表明高血糖诱导β细胞的代谢变化，显著降低线粒体代谢和ATP合成。作者认为这是糖尿病中β细胞进行性衰竭的基础。
参考文献
MLA Haythorne, et al., 2019, Diabetes causes marked inhibition of mitochondrial metabolism in pancreatic β-cells. Nature Communications.
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