科研 |Metabolism:运动时间对2型糖尿病患者多组织代谢组和骨骼肌蛋白质组的影响
生科云网址:https://www.bioincloud.tech/
编译:微科盟-草重木雪,编辑:微科盟Emma、江舜尧。
微科盟原创微文,欢迎转发转载。
导读运动对代谢的影响可能部分取决于一天中进行运动的时间。我们检验了运动时间影响2型糖尿病男性多组织代谢组和骨骼肌蛋白质组谱适应性的假设。符合纳入标准(2型糖尿病,年龄45-68岁,体重指数23-33 kg/m2)和排除标准(胰岛素治疗、吸烟、并发全身性疾病和定期运动训练)的男性被纳入随机交叉试验(n = 15)。本次代谢组学和蛋白质组学分析的参与者完全完成了所有的训练环节(n = 8)。该试验包括在早上(08:00,n = 5)或下午(16:45,n = 3)进行为期两周的高强度间歇训练(HIT)(每周3次),洗脱期为两周,以及在相反训练时间进行额外两周的HIT。参与者和研究人员对人群分配情况不盲目。我们对骨骼肌进行广谱、非靶向蛋白质组学分析,并对所有生物样品进行代谢组学分析;通过线性回归评估差异含量,并进行通路集富集分析;通过Spearman相关分析确定组织间协调的代谢变化。HIT两周后,代谢和蛋白质组学特征保持稳定,个体代谢物和蛋白质没有改变,与一天中的训练时间无关。然而,我们确定了相关代谢途径和蛋白质类别的协调变化。上午和下午HIT类似地增加血浆二酰基甘油、骨骼肌酰基肉碱和皮下脂肪组织鞘磷脂和溶血磷脂。酰基肉碱是训练诱导的跨组织代谢串扰的关键。与下午HIT相比,早晨HIT之后血浆碳水化合物通过戊糖磷酸途径增加,而骨骼肌脂质减少。与下午HIT相比,早晨HIT后骨骼肌脂蛋白较高,线粒体复合物III丰度较低。我们对2型糖尿病患者一天中不同时间对训练的多组织代谢组学和骨骼肌蛋白质组学响应进行了全面分析。循环脂质增加和脂肪组织脂质成分的变化在早上和下午HIT之间共同出现。然而,下午HIT比早上更能增加骨骼肌的脂质和线粒体含量。因此,2型糖尿病患者对运动的代谢组学和蛋白质组学反应存在昼间变化。这种反应的临床相关性值得进一步研究。
论文ID
原名:Exercise timing influences multi-tissue metabolome and skeletal muscle proteome profiles in type 2 diabetic patients – A randomized crossover trial译名:运动时间对2型糖尿病患者多组织代谢组和骨骼肌蛋白质组的影响期刊:MetabolismIF:13.934发表时间:2022.08通讯作者:Harriet Wallberg-Henriksson通讯作者单位:瑞典卡罗林斯卡医学院
实验设计
实验结果
1. 参与者特征和临床化学
参与者(表1)是先前检查队列的一个子集,他们完成了所有训练回合(图1)。在这个随机的交叉试验中,参与者在两周时间内完成了六轮HIT,上午(AM;08:00)或下午(PM,16:45),并且经过两周的洗脱期后完成了相反的训练时间(图 2a)。虽然大多数血液化学参数保持稳定(表 1),但空腹胰岛素水平在采样时间之间有所不同,尽管事后成对比较并不显著。
表1 参与者的人体测量特征和临床化学2. HIT后血浆和组织代谢稳定
处理后(补充图1a-e),我们分析了血浆、骨骼肌和脂肪组织代谢物,以及骨骼肌蛋白(图2b)。最丰富的代谢物是脂质和氨基酸(图2b)。主成分分析(PCA)显示总分析物谱的变化主要由个体差异引起,沿时间点没有明显的分离(图2c)。这种个体特异性对于血浆代谢物和骨骼肌蛋白最为明显,在骨骼肌和脂肪组织代谢物谱中不太明显(图2d-g)。所有分析物的条件内变异系数(CV)在采样场合之间相对相似,并且与基线相比,训练后倍数变化具有可比性(图2h)。脂肪组织代谢物变化最大(图 2i-j 和补充图 1f-i)。我们在血浆中检测到最低的CV,训练后倍数变化高于基线(图 2i-j),表明尽管血浆代谢物具有个体差异性,但体内平衡受到严格调节。最后,差异代谢物分析没有揭示单个代谢物的显著变化(补充图 2a),表明短期HIT后代谢状况稳定。
3. AM训练比PM训练更能增加血浆碳水化合物,降低骨骼肌脂质
我们进行Spearman相关分析以评估一般代谢物训练反应中的时间特异性差异或共性。倍数变化显示训练时间之间的中等相关性(图3a-c),表明类似的训练反应。每次训练时间对一般代谢物类(Super通路)的影响在训练后与基线进行比较(补充图2b-e)。AM HIT增加血浆脂质(图3d和g)和骨骼肌能量(TCA循环)代谢物(图3e和h)。PM HIT减少了血浆辅因子和维生素(图3d和g),并增加了脂肪组织脂质(图3f和i)。尽管与基线相比,无论训练时间如何,这些途径都得到了富集,但类似的富集方向表明了共同的训练反应,其中包括增加的循环和脂肪组织脂质,以及骨骼肌TCA循环代谢物。
与PM HIT相比,AM HIT之后使用倍数变化进行了额外的途径分析(补充图2b-e)。与PM HIT相比,AM HIT后的血浆碳水化合物代谢物更高(图3d),这是由来自戊糖-磷酸途径的更高水平的单糖(木糖、景天庚酮糖、果糖和ribonulate;图3g)导致的。同样,与PM HIT相比,AM HIT后骨骼肌辅助因子和维生素较高,脂质较低(图3e和h)。因此,AM训练比PM训练更有效地增加血浆碳水化合物和骨骼肌抗氧化剂并减少骨骼肌脂质代谢物。
4. HIT后血浆二酰基甘油、骨骼肌酰基肉碱、脂肪组织鞘磷脂和溶血磷脂增加
我们进行代谢物集富集分析以评估对特定代谢途径(子途径)的影响(图4a和补充图3a)。PM HIT后血浆初级胆汁酸代谢物增加,而两种训练时间均增加二酰基甘油(DAGs)(图4a-b)。AM HIT 影响骨骼肌代谢物,增加 TCA 循环代谢物和单不饱和脂肪酸酰基肉碱,并减少磷脂酰胆碱 (PCs)(图4a和c)。PM HIT增加了脂肪组织鞘磷脂(SMs)和溶血磷脂,并减少了糖酵解途径中的代谢物(图 4a和d)。训练时间的直接比较并没有产生显著丰富的代谢途径,表明存在类似的反应。PC:磷脂酰乙醇胺(PE)的比例没有随着训练而改变(图4e和补充图3b)。相反,SM与神经酰胺的比率往往会随着训练而变化(p = 0.14;图4f和补充图3c)。
5. 与PM训练相比,AM训练后骨骼肌脂蛋白较高,线粒体复合物III丰度较低
差异分析未显示HIT后单个蛋白质水平的显著变化(补充图4a)。为了描绘功能连接的蛋白质组的协调变化,我们使用基因本体(GO)定义以及训练后与基线之间变化进行了富集分析(图5a和补充图4b)。AM HIT后细胞表面蛋白正富集,而PM HIT后细胞外基质组织和胶原结合与基线相比增加(图5a和b)。因此,定时运动差异诱导对骨骼肌结构的适应。
为了确定受训练时间不同调节的本体,我们评价了AM与PM训练后的变化。AM HIT导致参与碳酸氢盐转运、细胞外空间、胶原蛋白和外泌体的蛋白质水平更高(图5a和c),表明AM与PM训练对骨骼肌结构和乳酸非依赖性pH调节的影响更大。这些差异表明训练后骨骼肌中脂质可用性增加以适应每天特定时间训练。
6. AM训练共调节外周组织,而PM训练共调节血浆对外周组织的反应
我们旨在确定协同调节的代谢物网络,这些网络可能揭示一天中特定时间对不同组织协调训练的适应(图6a和b,以及补充图5a-c)。AM训练后最协调的变化是在脂肪组织内,可由其代谢物log2倍数变化的组织内相关性最大所证明;随后分别是骨骼肌和血浆(图6c)。脂肪组织在PM训练后也表现出最协调的变化。然而,PM比AM HIT诱导了血浆内更多的相关性(图6d)。PM 训练导致血浆与脂肪组织的相关性增多,以及脂肪组织与骨骼肌的相关性减少(图6c和d)。在AM或PM HIT之后,相关网络形成了几个大的集群(图6e和f)。血浆和组织之间显著负相关表明组织产生和消耗代谢物。总体而言,AM训练在组织水平上引起了协调反应,而PM训练更容易协调循环代谢物。
7. 协同调控的代谢物集群对上午或下午HIT的响应
为了确定不同组织共同调节的代谢途径,我们在训练后分析了三个最大的相关代谢物簇(图7a-b和补充图5d-e)。AM代谢物簇主要富含酰基肉碱,由簇1和2中的外周组织和簇3中的血浆驱动(图 7c)。酰基肉碱与簇1中的骨骼肌和血浆抗氧化剂(图7c和d)、簇2中的支链氨基酸(BCAA)(图7c和e)以及簇3中的多巴胺和色氨酸代谢物相关(图7c和f)。PM代谢物簇富含酰基肉碱,由簇1中的血浆、簇2中的脂肪组织和簇3中的骨骼肌驱动(图7c)。PM训练后,酰基肉碱与簇1中的FA和谷胱甘肽代谢物(2-羟基丁酸[2-HB])(图7c和g),簇2中的脂质种类(PC、SM和己糖神经酰胺 [HCER])(图 7c 和 h),簇3中的抗氧化剂和蛋氨酸代谢物相关(图7c和i)。因此,无论训练时间长短,酰基肉碱都是训练后代谢协同调节的关键。
讨论
在皮下脂肪组织中,HIT增加了鞘磷脂和溶血磷脂,减少了糖酵解代谢物。糖酵解的减少有点令人费解,因为该过程提供了TAG合成所需的3-磷酸甘油。脂肪组织和血浆中脂质代谢物增加表明脂质动员增强,这将允许独立于糖酵解的脂质储存扩张。鞘磷脂对线粒体功能有益,但对皮下脂肪组织的胰岛素敏感性有害。它们还与炎症水平降低有关,这取决于鞘磷脂与神经酰胺的相互转化。肥胖个体的循环溶血磷脂含量较低,并且与炎症呈负相关。此外,溶血磷脂可增加脂肪细胞和全身葡萄糖摄取。因此,响应HIT后增加的溶血磷脂表明脂肪组织脂质谱的有益适应,而鞘磷脂的增加可能会抵消运动对胰岛素敏感性的影响。体育锻炼对2型糖尿病或代谢功能障碍患者的血糖控制和胰岛素敏感性的有益影响可能部分取决于昼夜节律。在这里,我们表明运动时间会影响2型糖尿病患者对训练的代谢反应,包括代谢组和蛋白质组的变化。相比于PM训练后,AM训练后血浆碳水化合物代谢物的升高程度更高。相反,PM与AM训练相比,骨骼肌脂质和线粒体含量(复合物 III)增加幅度更大。线粒体复合物III与细胞的氧化磷酸化能力密切相关。然而,与匹配的对照组相比,2型糖尿病患者的线粒体氧化功能较低,可以通过运动训练使其正常化。虽然肥胖老年男性线粒体氧化能力的昼夜节律减弱,但我们的数据表明PM HIT对氧化能力的影响大于AM HIT。这可能导致骨骼肌在实际训练期间和休息时更有效地利用能量底物,例如葡萄糖和脂质。因此,下午更大的氧化能力可能允许更大比例的HIT能量需求通过氧化而不是运动期间的无氧代谢来满足,这可能促进线粒体适应。AM训练后血浆碳水化合物的增加是由戊糖磷酸单糖驱动的。戊糖-磷酸途径不需要ATP,因此该途径可以在产生NADPH的厌氧条件下发挥作用。戊糖磷酸途径在HIT适应中的作用尚不清楚。该途径在皮下脂肪组织中非氧化阶段的失活促进了脂肪分解和线粒体含量,以及全身能量消耗和葡萄糖耐量。因此,AM HIT期间戊糖磷酸代谢物的增加表明,由于从有氧代谢到非氧化代谢的通量转变导致能量缺乏。我们利用一种无偏差的方法来探索不同组织的协调代谢物变化,确定了多种脂质类别和酰基肉碱是运动训练引起的代谢串扰核心。我们的方法是对先前啮齿动物相似特征报告的补充。2-羟基丁酸已作为一种运动反应性代谢物出现,与脂质和氨基酸衍生代谢物一起,在代谢协同调节中处于关键地位。此外,2-羟基丁酸是胰岛素抵抗的早期生物标志物。在PM训练共同调节的关键代谢物中,我们将骨骼肌和循环2-羟基丁酸进行关联。因此,相关网络中鉴定的2-羟基丁酸和其他代谢物可能代表运动训练的跨组织代谢适应的重要介质在一天不同时间内是不一样的。我们的研究受到参与者数量少的限制,这使得分析不足以检测代谢特征的细微差异以及表型的影响。此外,在第二轮 HIT之前的两周洗脱期之后,我们没有收集血浆和组织样本,因此无法确定清除时间后基线的结果是否与第一轮 HIT之前的基线相当。交叉研究设计部分缓解了这些问题。我们的研究检查了对短期HIT的代谢组学和蛋白质组学反应,我们不能排除较长时间的训练方案可能会引起更实质性变化的可能性,例如在受过训练和未受过训练的个体之间观察到的代谢组,或在较长训练方案后观察到的骨骼肌蛋白质组。虽然没有提供膳食,也没有控制一般的身体活动,我们使用了交叉研究设计,指导参与者保持正常饮食和重复食物摄入,并在测试前一天保持规律的体育锻炼。然而,研究参与者的进餐时间和组成,以及日常体力活动的变化,可能会影响代谢组和蛋白质组的重新编程。
结论
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35908579/
----------微科盟更多推荐----------
科研(IF:17.152) |Diabetes Care:组织蛋白酶D是1型糖尿病eGFR快速下降的生物标志物
重磅长篇系统综述 (IF:72.087)|Chem Rev.:古蛋白质组学
如果需要原文pdf,请扫描文末二维码领取
请关注下方公众号
了解更多蛋白质组知识
蛋白质组仅用于学术成果分享与交流,不涉及商业利益。
也严禁他人将本公众号的内容用于商业运营。