科研（IF:16.988） |Cell Rep:器官特异性代谢途径区分前驱糖尿病，2型糖尿病和正常组织

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编译：微科盟-陌陌谦行，编辑：微科盟Emma、江舜尧。

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导读

环境和遗传因素导致胰岛发生缺陷，驱动2型糖尿病(T2D)以及多组织胰岛素抵抗。43个多器官供体队列的5个关键代谢组织样本的质谱蛋白质组学提供了对其蛋白质组的深度覆盖。基因本体论的富集分析提供了健康人、糖尿病前期(PD)和T2D受试者生物过程发生改变的组织特异性图谱。我们发现了几个相关通路的改变，包括PD患者胰岛的止血增加，PD患者肝脏和胰岛的补体级联增加，T2D患者肝脏中的胆固醇生物合成升高。我们的研究结果说明PD患者胰岛的炎症、免疫和血管发生改变，可能导致了激素紊乱(如胰岛素受损和胰高血糖素产生增加)。多组织蛋白质组图表明T2D患者中存在组织特异性代谢失调。

亮点

1.来自 43个多器官捐献者的5 个关键代谢组织的质谱蛋白质组学2.该研究提供了PD和T2D患者中组织特异性代谢失调的图谱3.PD患者胰岛的炎症、免疫和血管发生改变4.T2D患者肝脏、VAT、肌肉中的脂质和线粒体相关通路失调概要

Diamanti等人绘制了43名健康、前驱糖尿病(PD)和2型糖尿病(T2D)多器官供体的5个关键代谢组织的蛋白质组。对组织特异性生物学过程的探索表明，胰岛在PD患者中表现出多种生物学改变，而其他组织在T2D患者中表现出紊乱现象。

论文ID

原名：Organ-specific metabolic pathways distinguish prediabetes, type 2 diabetes, and normal tissues译名：器官特异性代谢途径区分前驱糖尿病，2型糖尿病和正常组织
期刊：Cell Reports MedicineIF：16.988发表时间：2022.10通讯作者：Claes Wadelius通讯作者单位：瑞典乌普萨拉大学生命科学实验室免疫学、遗传学和病理学学系

实验设计

实验结果

本研究材料取自43个多器官供体队列，其中血糖正常组(n = 17)、PD组 (n = 14)和T2D组(n =12)，组织包括VAT（visceral adipose tissue，内脏脂肪组织）、肝脏、骨骼肌、胰岛和血清等5个关键代谢组织，(图 1)。在超过250名受试者的样品收集中，来自同一供体的5个组织均可用于实验是主要的选择标准(图1A)。血液中糖化血红蛋白A_1c（HbA_1c）的百分比表示2-3个月的平均血糖水平，是T2D公认的临床标志。这以及受到刺激时胰岛分泌的胰岛素定量(葡萄糖刺激胰岛素分泌[GSIS])与CTRL组（健康对照组）、PD组和T2D组密切相关。人体计量学特征，包括年龄、体重指数(BMI)和性别，与HbA1c、GSIS和T2D的相关性较小。在重症监护住院期间，受试者服用的药物与T2D组无相关性。

图1 蛋白质组学数据集研究和探索概述(A)组织样本示意图概述。圆圈图显示了CTRL、PD和T2D受试者的分布。最外层两个圆圈显示的是属于CTRL+PD 和PD + T2D合并组的受试组的比例。(B)组织共享蛋白和组织特异性蛋白的韦恩图。(C)样本间蛋白质丰度的分级聚类。蛋白质使用功能区聚类。D是基于1-r的R统计结果，其中r是皮尔逊相关系数。树状图和热图分别说明了聚类和蛋白质强度。树状图中组织用颜色和文字表示，T2D状态显示在下一列中。最右边的条形图显示了过滤前每个样品中被识别的蛋白质数量，黑线标记了过滤后保留的蛋白质数量。(D和E)处理后的所有组织蛋白质组学数据的主成分分析(PCA)。使用R库pcaMethods 函数进行主成分分析。(D)T2D组着色;(E)按组织着色。

在对来自195个样本的大型蛋白质组学分析中，我们鉴定了超过 20,000 个蛋白质(图 1A, 1B)。总的来说，该研究中的蛋白质组比早期的其他蛋白质组研究覆盖更广，同时它与早期的其他研究中超过72%的蛋白质组重叠(图 1B)。在经过严格的质量控制过程后，其中一个样本以及超过 41%的蛋白质被排除，不再进一步分析。接下来，我们选择蛋白质组学数据解释方差中值大于 1%的临床和技术变量作为混杂因素。研究表明，冷缺血时间(CIT)会影响磷蛋白组和其它潜在的蛋白质组，在重症监护室(ICU)的住院天数与蛋白质的差异性相关。通过同样的过程，选择所有样本的 BMI 、年龄以及胰岛样本纯度的百分比作为附加的协变量。

相关分析显示，14、26、27 种蛋白质分别与HbA_1c 、GSIS、BMI有较强的正相关或负相关，经多次检验校正后差异不显著。后者主要是由于数据的维度不相称，包含的蛋白质比样品多几个数量级。我们对单个蛋白与HbA_1c进行了部分相关性分析，同时校正了包括和不包括BMI在内的协变量。选择r = |0.4|作为BMI升高或降低相关性的阈值，我们得出的结论是，在下游分析中纳入BMI作为协变量不会影响蛋白质与HbA_1c的相关性。具体来说，在纳入BMI作为混杂因素后，与HbA_1c相关的蛋白数量保持不变。使用主成分分析(PCA)、均匀流形逼近和投影(UMAP)进行降维，同时对蛋白质丰度进行分层聚类，结果显示受试者的分组有限(图1C, 1D)。

1.MS 蛋白质组学允许对组织进行精确的聚类

我们对样本和蛋白质进行了严格的质量控制，以识别和去除潜在的异常值和偏差来源。来自PD受试者p14的样本被排除在外，因为其始终偏离同一组织所有蛋白质的总体中位数超过3个标准差，数据集被进一步处理用于下游分析(图1B-1E)。我们采用了一种严格的质量控制方法，对同一组织内至少80%的样本中被识别的蛋白质进行了检测，导致在整个组织中超过40%的的蛋白质被排除;肝脏保留了超过 4000种最初识别的蛋白质，胰岛和内脏脂肪组织（Visceral Adipose Tissue,VAT）约3000种，骨骼肌超过1500种(图1B)。不出所料，由于表达蛋白组的动态范围很大，血清中鉴定蛋白的数量是最少的，这主要是因为其中一些蛋白的丰度较高(图1B)。

尽管VAT和骨骼肌中MS蛋白质组学存在挑战，但我们的方法对所有组织样本的蛋白质组的覆盖率较大。我们还对胰岛蛋白质组进行表征，迄今为止，胰岛的蛋白质组还缺乏广泛的研究。在单个组织中识别的蛋白质显示出与相应组织高度相关的生物通路和基因本体(GO)生物过程的强烈富集(图1B)。仅在肝脏中鉴定的蛋白质对各种脂类和氨基酸的代谢(q<0.05)、胆汁酸和盐的转运(q <6×10⁻⁴ )和类固醇生物合成(q<0.03) 均有富集作用。骨骼肌在肌肉特异性方面富集，包括肌肉收缩(q<8×10⁻³)和发育(q<0.03)，以及离子稳态(q<7×10⁻³)，胰岛主要富集于激素分泌(q<0.01)和胰岛素(q<0.04)以及和信号的释放(q<3×10⁻³ )，血清富集于补体和凝血级联(q<0.05)。

总的来说，我们在除血清外的所有组织中鉴定了 1101种蛋白质(图 1B)，形成了600多个富集的GO生物过程的集合（q< 0.05）。尽管在其它组织的子集中包括更大的蛋白质集合，但我们发现在所有五个组织中鉴定的87个蛋白质导致了更多富集的GO生物过程。总体而言，正如预期的那样，在两个或两个以上组织中鉴定的蛋白质比在单个组织中鉴定的蛋白质具有更多的通用生物学功能，包括翻译后蛋白质修饰(q<10⁻⁵ )、胞外作用(q<0.01)、前体代谢物和能量的产生(q<6×10⁻¹⁷ )、组织内稳态(q<2×10⁻⁵)、细胞周期G2/M相转换的调控(q<9.6×10⁻¹²)。

无监督聚类分析显示，本组受试者的组织样本的蛋白质组学特征完全相同，这些样本在试验研究中采用不同的质谱采集模式进行分析，证实了分析的稳健性以及数据的高质量。此外，蛋白质丰度的分层聚类和PCA显示，在受试者的临床分组中，原发组织具有最强的生物学特征，临床分组中受试者分为CTRL、PD和T2D(图1C和1E)。VAT聚类的肌肉样本p42中最丰富的蛋白质与凝血和免疫反应有关(图1C)，并与VAT样本子集中的蛋白质相似，而其他与骨骼肌相似的蛋白质传递肌肉特异性信号，共同提示样本受到干扰的可能。

2.PD和T2D患者中生物过程改变的全貌

我们对CTRL、PD和T2D的成对组合进行了组织内差异分析，同时考虑了BMI、年龄、CIT、在ICU的住院天数，以及胰岛样本的纯度百分比。蛋白质与HbA_1c的Spearman r和对数倍变化除以差值分析的标准误差之间的相关性分析结果是：肝脏中r = 0.81（p<10^-260），胰岛中r = 0.65（p<10^-260），骨骼肌中r = 0.7（p<2.3×10^-223），VAT中r= 0.73（p<10^-260），以及血清中r = 0.52（p <3.6 ×10^-20）。也就是说，差异分析的结果显示与蛋白质和HbA1c之间的相关性分析有明显的一致性。接下来，我们进行了基因集富集分析，以探索组织中富集的GO生物过程的情况，并确定T2D表型中改变的生物过程。比较PD和CTRL时，我们发现大多数富集的GO生物过程发生在胰岛，而其他组织中显著改变的生物过程数量有限（图 2A)。当T2D与CTRL比较时，富集的生物过程在胰岛中的主导地位略有降低(图2B)。同时，我们在骨骼肌和VAT中观察到多个富集的GO生物过程(图2D)。当T2D与PD比较时，胰岛显示的富集项有限(10%)，而超过70%的相同富集项被肝脏覆盖(图2C和2D)。在T2D-CTRL 和T2D-PD成对组合分析中也观察到骨骼肌中存在相似比例的富集项，而肝脏和VAT在T2D-PD网络中观察到含有最多的富集项，分别为70%和15%(图 2B和2C)。相比之下，胰岛在PD-CTRL和T2D-CTRL分析中都有超过66%的富集GO生物过程(图2A、2B和2D)。总的来说，在不同的CTRL、PD和T2D组合中，GO生物过程的集群分布是不同的。VAT、肌肉和胰岛显示了包含类似生物过程的GO富集项，而肝脏则呈现出一种中间状态，富集项更为多样化。在整个组织中，肝脏和胰岛以及VAT和骨骼肌的两两比较显示，GO生物过程富集项的模式具有很大的相似性。

图2 CTRL、PD和T2D之间成对比较的各组织富集GO生物过程概述(a - c)网络是使用Cytoscape插件EnrichmentMap和AutoAnnotate根据GO生物过程而创建的。节点代表富集的 GO 生物过程(q < 0.01)，其大小表示生物过程中蛋白质的数量。右边的数据表示节点之间共享蛋白质的比例。只有描述高度相似度的数据被保留。节点组代表了单个GO生物过程的更广泛类别。图中显示了(A) PD-CTRL，(B) T2D-CTRL和(C) T2D-PD的比较。(D)富集的GO生物过程在各组织中的分布，对应图左侧。分布情况以富集项占成对比较的富集项总数的比例表示。

3. PD 患者胰岛的免疫和脂质相关过程上调

   与胰岛免疫系统及其调控相关的大多数富集的GO生物过程在PD中被明显上调（q_max<3.7×10^-3）。与适应性和先天性免疫系统、抗体介导的免疫和炎症有关的过程在PD患者的胰岛（q_max<7.1×10^-4）以及肝脏（q_max<5×10^-3）中持续升高。此外，与凝血和内稳态相关的生物过程在PD患者胰岛中也较高（q_max<5.8×10^-3）。PD患者胰岛在纤维蛋白溶解和凝血两方面的内稳态明显改变（q_max<2.5×10^-3），这与升高的免疫反应一起发生，就形成了血栓形成前状态的基础。脂质代谢途径，包括类固醇和甘油三酯的代谢（q_max<1.2×10^-3）、脂质代谢及其运输（q_max<2.5×10^-3），在PD患者胰岛中都明显增加（图2A）。

4. T2D患者中VAT和骨骼肌的生物过程的改变

与类固醇和酒精代谢有关的生物过程在T2D患者肝脏中几乎全部上调（q_max<8.4×10^-3），而与蛋白质分解有关的生物过程在T2D患者的胰岛中增加（q_max<4.7×10^-3）。我们观察到T2D患者的肝脏（q_max<6.7×10^-3）和VAT（q_max<4.8×10^-3）之间的有机化合物和核苷酸代谢的改变方向不同。我们还发现，与氧化磷酸化（OXPHOS）和细胞呼吸有关的GO生物过程在VAT（q_max< 4.1×10^-3）和骨骼肌（q_max<3.4×10^-3）中明显减少（图2B）。后者证实了我们的观察，VAT和肌肉中富集的GO生物过程在T2D患者样本中相当一部分GO生物过程表现相似。与脂肪酸代谢有关的各种过程在T2D患者的VAT中完全减少（q_max<4.2×10^-3），而T2D患者骨骼肌中与DNA转录和翻译有关的生物过程明显减少（q_max<5.3×10^-3）（图2B）。

5. 从PD到T2D肝脏中的各种生物过程的紊乱

通过T2D和PD的比较，各组织中富集的生物过程数量较多，其中肝脏占70%以上，胰岛占不到11%（图2D）。通过比较PD、T2D与CTRL样本，我们发现免疫相关的生物过程及其调节过程主要发生在肝脏（q_max < 6.3 × 10-3），这与以前认为的以胰岛为主的概念是一个转变（图2C）。这对PD和T2D患者胰岛的炎症和免疫状态的相似性以及T2D患者肝脏中发生的这些生物过程的后期改变有两方面的影响。多个富集的代谢过程在肝脏中被完全改变，可能是因为肝脏的代谢活性较高，横跨各种代谢过程（q_max<8.4×10^-3）。具体来说，碳水化合物（q_max<8.3×10^-3）、酒精（q_max<1.4×10^-4）和类固醇（q_max<1.3×10^-3）的代谢过程被上调，而糖胺多糖的代谢被下调（q_max<8.4×10^-3）（图2C）。与PD患者相比，氨基酸（q_max<8.2×10^-3）、有机化合物（q_max<3.2×10^-4）、脂肪酸（q_max<3.3×10^-3）和脂类（q_max<7.7×10^-3）在T2D患者肝脏中持续上调，在T2D患者的VAT中（q_max<2.2×10^-4, q_max<1.6×10^-7, q_max<2.1 ×10^-3, and q_max<2.8×10^-3, respectively）下调（图2C）。与T2D-CTRL相似，OXPHOS和细胞呼吸等相关生物过程在肌肉（q_max<3.1×10^-4和q_max<3.3×10^-5）以及VAT（q_max<6.4×10^-4和q_max<6.9×10^-5）中富集，并遵循同样的变化方向（图2C）。总的来说，通过对比发现，T2D-PD与T2D-CTRL在肌肉和VAT中富集的生物过程相似（图2B、2C）。后者在肝脏中没有同样的现象，肝脏在不同的比较中大约有一半的生物过程是共享的。

6. PD和T2D患者组织中关键代谢途径的富集

我们对富集的生物途径数据集进行了分析，类似于之前对GO生物过程的分析。每个组织富集的生物途径的比例（q<0.05）与GO生物过程的模式相同（图2D）。我们选择了一个富集的生物途径的子集（q<0.05），我们根据生物相关性进行分组（图3）。已观察到TCA及其NADH和FADH2电子载体对OXPHOS的贡献在T2D的肌肉和胰岛素抵抗者的脂肪组织中减少。我们观察到，与CTRL、PD以及CTRL+PD合并组相比，T2D的VAT和肌肉中TCA和OXPHOS明显下降（图3B，3C）。同时，与补体级联有关的途径在PD的肝脏和胰岛中明显增加（图3A）。在T2D的肝脏中，与CTRL和PD相比，其中一些途径明显降低，表明PD中存在广泛的炎症，而T2D中则相反。与Fc-γ和Fc-ε信号转导有关的生物途径水平在PD和T2D的胰岛中明显升高，其中T2D明显低于PD（图3）。类固醇的代谢包括五个不同的途径，与CTRL相比，这些途径在T2D的肝脏中明显较高，而PD和CTRL之间没有显著差异（图3）。如果将PD和CTRL受试者合并为一个非糖尿病组，并与T2D进行比较，也表明PD和CTRL受试者肝脏中与类固醇代谢有关途径的相似性。其他富集的途径包括：PD和T2D的胰岛中维生素代谢的增加；T2D的VAT和肝脏中神经退行性疾病途径的减少。

图3. 显著富集的生物通路(A-C）选择富集的生物通路组(q≤0.5)，对CTRL、PD和T2D进行成对比较，具体为（A）PD-CTRL，（B）T2D-CTRL，和（C）T2D-PD。彩色的三角形表示统计学意义（q< 0.05）和方向。每条途径的数据库后缀R或K分别代表Reactome数据库或KEGG数据库（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，）。GP1b-IX-V，糖蛋白Ib-IX-V；SREBP，固醇调节元件结合蛋白。

7. T2D患者中VAT和骨骼肌中的TCA和OXPHOS显著降低

与CTRL和PD患者相比，T2D中TCA循环和OXPHOS相关的线粒体功能受到损害（图4）。关键的线粒体成分复合物I的生物生成也具有同样的情况，它是骨骼肌和VAT中OXPHOS减少的主要成分。相比之下，PD和CTRL受试者之间在这些途径上没有明显的差异（图3A）。对线粒体相关的GO生物过程的细胞成分分析显示，VAT和骨骼肌的几个生物过程的细胞成分有明显的下调，包括线粒体基质（q_VAT<1.1×10^-5和q_muscle<1.3×10^-2），线粒体内膜蛋白复合物（q_VAT<7.2×10^-6和q_muscle<1.7×10^-5），线粒体包膜（q_VAT<2.7 ×10^-6和q_muscle<9×10^-5），以及线粒体蛋白复合物（q_VAT<10^-6和q_muscle<1.7× 10^-5）。

T2D的TCA循环和整个OXPHOS链水平在VAT和骨骼肌中明显低于CTRL（分别为q＜8.8×10^-8和q＜3.2×10^-4）（图3）。在其他研究中，VAT和肌肉中TCA循环的下调被认为与IR（Insulin Resistance,胰岛素抵抗）有关。丙酮酸代谢和TCA循环的下调是由VAT中的26个蛋白和骨骼肌中的17个蛋白驱动的（其中11个是共享的）。TCA循环中的所有八个关键酶复合物中的绝大多数，即柠檬酸合成酶（CS）、乌头碱酶2（ACO2）、异柠檬酸脱氢酶（IDH）、α-酮戊二酸脱氢酶（αKGDH）、琥珀酰-CoA合成酶（SCS）。琥珀酸脱氢酶（SDH）、富马酸水解酶（FH）和苹果酸脱氢酶（MDH）在T2D的VAT和/或骨骼肌中减少，因此证实了整个途径的水平明显下调。从TCA循环中产生的NADH和FADH2电子载体随后被传递到OXPHOS中并被用于能量生产（图4）。一组来自VAT的54个蛋白质和来自骨骼肌的27个蛋白质（其中19个是共享的），被用来标记驱动OXPHOS通路成分的减少（图3）。大多数驱动蛋白在PD中的含量比CTRL高，但它们在T2D中明显减少，导致VAT和肌肉中相关的途径明显降低。总之，我们证实了之前关于T2D中VAT和骨骼肌中TCA和OXPHOS途径下调的推论。

图4. 丙酮酸代谢和TCA循环的生物途径基于Reactome的可视化路径，并辅以KEGG和文献的细节。方框说明了T2D与CTRL相比在VAT（方框左侧）和骨骼肌（方框右侧）的对数倍变化值。导致该途径减少的蛋白质被标记为驱动蛋白，并以黑色字体和彩色方框显示。参与该通路并从MS蛋白质组学中识别但未标记为被鉴定的蛋白质显示在白色方框中，而灰色的蛋白质在本分析中未被鉴定。

8. T2D 患者肝脏中的胆固醇生物合成显著增加

与PD和CTRL相比，T2D患者肝脏中胆固醇生物合成途径的多个步骤都有所增强（图3，5）。T2D受试者肝脏中的增加（q < 1.6 × 10^-56）主要是由16个蛋白质驱动的，与CTRL相比，这些蛋白质的水平提高了2倍（图5）。这16个蛋白中有11个是固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）激活基因表达的生物途径的产物（图3和5）。具体来说，其中包括羊毛甾醇脱甲基酶（CYP51A1）、7-脱氢胆固醇还原酶（DHCR7）、法尼基二磷酸法尼基转移酶（FDFT1）、法尼基二磷酸合成酶（FDPS）、羟甲基戊二酰CoA合成酶（HMGCS1）。与CTRL相比，T2D患者肝脏中的异戊烯基二磷酸酯δ-异构酶1（IDI1）、羊毛甾醇合成酶（LSS）、二磷丙二酸脱羧酶（MVD）、戊二烯酸激酶（MVK）、角鲨烯单氧酶（SQLE）和跨膜7超家族成员2（TM7SF2）的表达增加了1到2倍（图5B）。

  胆固醇的生物合成途径从糖酵解产生的乙酰辅酶开始，产生的胆固醇，用于类固醇激素和初级胆汁酸的生物合成。质谱分析确定了胆固醇生物合成途径关键步骤中的大多数蛋白质（图5A）。对肝脏中蛋白质丰度的详细分析显示，尽管CTRL和T2D在蛋白质水平上的差异具有中等显著性，但它们对该通路的累积影响却是显著增加（图5B）。

图5. 肝脏中胆固醇生物合成生物途径的增加(A) 基于Reactome的可视化路径，并辅以KEGG和文献的细节。方框显示了T2D与CTRL相比，肝脏中的对数倍变化值。导致途径增加的蛋白质被标记为驱动，并以黑色字体和彩色方框显示。参与该通路并从MS蛋白质组学中识别但未标记为前沿的蛋白质显示在白色方框中，而灰色的蛋白质在本分析中未被鉴定。(B) T2D和CTRL肝脏中驱动蛋白丰度的详细比较。

9. PD患者胰岛中与止血途径相关的蛋白质水平升高

止血过程中的血凝块形成途径在PD患者的胰岛中被明显富集（q < 3.5 × 10^-6）（图3）。具体来说，凝血的级联富集（q<8.6×10^-14）是由负责纤维蛋白凝块形成的共同和内在途径（q<1.1×10^-6和q<4.5×10^-15）的上调导致的（图3）。在PD中高于CTRL的44个蛋白质的大集群推动了对该途径的显著增加。对止血途径的21个蛋白质子集进行可视化显示，说明了受这些酶影响的关键生物过程（图6）。我们观察到转铁蛋白（TF）增加了3倍以上，而丝氨酸家族的多个成员也有稳固的提升（图6）。此外，我们观察到，与止血有关的44种蛋白质的明显增加后，T2D的蛋白质明显减少，而T2D的蛋白质又明显高于CTRL。与胰岛相反，T2D中肝脏的止血相关途径明显低于PD（图3）。

图6. 止血的生物途径（凝血级联）基于Reactome的可视化路径，并辅以KEGG和文献的细节。方框显示了胰岛中PD与CTRL相比的对数倍变化值。导致该途径增加的蛋白质被标记为驱动，并以黑色字体和彩色方框显示。参与该通路并从MS蛋白质组学中识别但未标记为前沿的蛋白质显示在白色方框中，而灰色的蛋白质在本分析中未被鉴定。

10.PD患者的肝脏和胰岛中补体级联增加

PD患者肝脏和胰岛中补体级联明显高于CTRL（q<8.4×10^-5和q<1.6 × 10^-72）（图3）。具体来说，负责C2和C4激活剂生成的经典途径和凝集素途径在胰岛中显著升高（q<2.8 ×10^-53），但在肝脏中没有超过统计学意义的阈值。肝脏中该途径的上调由20个蛋白质主导，而胰岛中的上调由34个蛋白质主导（其中14个是共享的）（图7）。在胰岛中，T2D中的补体级联仍然高于CTRL，而在肝脏中，补体级联明显降低（图3）。在比较T2D和PD时，两个组织的情况一致。具体来说，PD中补体级联上调的驱动蛋白水平在T2D中下降，导致从PD到T2D途径整体下调（q_liver<1.4×10^-14和q_islets<1.1×10^-16）（图3）。后者说明在PD肝脏中免疫系统相关蛋白的突然增加，随后T2D肝脏中显著下降，T2D的水平明显高于CTRL。

图7. 补体级联的生物学途径基于Reactome的可视化路径，并辅以KEGG和文献的细节。方框显示了肝脏（方框左侧）和胰岛（方框右侧）中PD与CTRL的对数倍变化值。导致该途径增加的蛋白质被标记为驱动，并以黑色字体和彩色方框显示。参与该通路并从MS蛋白质组学中识别但未标记为前沿的蛋白质显示在白色方框中，而灰色的蛋白质在本分析中未被鉴定。

讨论

我们对来自43位多器官捐赠者的VAT、肝脏、骨骼肌、胰岛和血清等样本进行了基于MS的蛋白质组学分析（图1）。我们的研究为多种组织提供了迄今为止最深入的蛋白质组覆盖，包括现有研究不多的胰岛，再加上严格的质量控制过程，以确保结果的稳定性。我们进行了多维探索性分析，突出了随着T2D的发展而改变的生物过程和途径（图2和3）。我们对这张路径缺陷图进行了细化的蛋白质集合的补充，这些蛋白质被证明参与驱动其变化方向以及幅度（图4、5、6和7）。我们的研究结果强调了几个生物途径在PD和T2D中的显著改变，为进一步的体内研究铺平了道路。总之，我们的研究为代谢性疾病领域提供了资源。据统计，70%-80%的T2D患者患有非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)。我们将我们的结果与最近在肝脏和胰岛等难以取样的组织中对非酒精性脂肪肝进行蛋白质组学研究的结果进行了比较。T2D患者胰岛中果糖-二磷酸醛缩酶 B (ALDOB)的轻微下降没有统计学意义，因此不能认为与 Wigger 等人的近期研究结果相矛盾。ALDOA在所有组织中均未发生变化，与他们的研究结果一致，而ALDOB和ALDOC在T2D肝脏中有所升高。肝脏中ALDOB的上调与酒精相关肝病（ALD）和非酒精性脂肪肝患者的脂肪变性有关。相反，我们观察到PD 和T2D肝脏中乙二醛酶I (GLO1)上调，在小鼠模型的同一组织中，其下调与非酒精性脂肪肝有关。PD和T2D中胰岛和肝脏富集的绝大多数生物过程都与免疫反应及其调节有关(图3A, 3B)。早期的研究已经证明了适应性和先天性免疫系统的激活与T2D进展之间的联系，而其它蛋白质组学研究显示T2D受试者的胰岛中的免疫反应有明显的增加。PD胰岛和肝脏中参与调节免疫反应的生物过程上调(图2A 和 5A)。PD和T2D患者在肝脏中也显示出不同的改变模式，而在T2D患者中，VAT和骨骼肌普遍减少(图2A, 2B)。T2D和PD之间的比较不仅提供了组织层面的见解，而且还突出了受影响的生物过程(图2C)。我们在PD患者的VAT 和骨骼肌中没有观察到丰富的生物学过程或通路，但我们发现在PD和T2D患者之间胰岛差异非常小。总的来说，胰岛在PD和CTRL之间的变化中占主导地位，而在T2D中没有表现出进一步的显著的变化(图2)。与胰岛不同，肝脏中有超过150个富集的生物过程，主要与免疫系统有关，且在PD和T2D之间存在差异(图2C)。总之，我们的数据表明，PD中的大多数生物过程改变主要发生在胰岛，其次发生在肝脏，而在T2D中，与OXPHOS和细胞呼吸相关的变化在VAT和骨骼肌中尤为突出(图2)。TCA循环以前被认为是各种组织中IR的标志物，我们与其他研究一致，发现在T2D骨骼肌和VAT中TCA循环显著下调（图3和4）。具体来说，其它蛋白质组学研究显示，TCA与OXPHOS和丙酮酸代谢相似，在VAT中明显下调。除了驱动ADP合成ATP外，该途径的双羧酸性质还涉及脂肪酸和氨基酸的合成。也就是说，它的整体下调会影响ATP的产生和其它重要的代谢途径。最近的一项研究强调了线粒体OXPHOS在T2D中的关键作用，该研究利用磁场和电场成功治疗了小鼠模型中的 T2D。与CTRL和PD相比，T2D受试者VAT和骨骼肌中TCA循环和OXPHOS链的损伤，结合CTRL和PD之间难以区分的差异，表明一些相对晚期的现象在糖尿病已经建立时才变得明显，而难以在其发展过程中被发现(图3)。综合来看，我们的数据表明，TCA循环和整个OXPHOS路径的下调在T2D阶段变得突出。肝脏中增强的胆固醇生物合成也发生了类似的事件(图3 和图 5)。这可能是由编码该途径各种关键酶的基因转录激活增强导致的，并可能与随后胆固醇和脂蛋白生产的失调有关(图3 和图5)。这个现象在T2D阶段也变得明显，很可能是疾病的结果而不是原因。胆固醇生物合成相关的酶水平升高很可能是由两个以SREBP为核心调控因子的生物途径驱动的，即SREBP调节胆固醇生物合成和SREBP激活基因表达(图3)。我们假设，这是由SREBP转录因子水平和活性的增加导致的。后者可能导致随后的其他脂质组分(如三酰甘油)的合成或组装增加，它可能有利于脂蛋白(如极低密度脂蛋白颗粒)的产生和释放。肝脏、骨骼肌和VAT是胰岛素调节底物代谢的经典部位，占能量消耗和储存的大部分。我们发现，在VAT和骨骼肌中，脂质(特别是胆固醇)在肝脏中的合成增强，线粒体功能降低，从而导致葡萄糖和脂质氧化(图3)。总的来说，这些改变与肌肉和脂肪组织中能量基质利用率的降低、脂质向肝脏的再分配以及脂蛋白释放的改变是一致的。这些能量代谢的改变发生在胰岛紊乱之后，并且它们在一定程度上可能是继发于胰岛素缺乏。尽管如此，肝脏、肌肉和VAT的改变在维持糖尿病状态(包括高血糖、血脂异常和超重)中是关键的。已建立的胰腺内分泌功能障碍和大脑的适应机制也参与了T2D中慢性高血糖的“防御”。与此同时，主要由肝脏(在较小程度上)负责糖异生，而糖异生是葡萄糖循环的内源性来源。众所周知，糖异生作用升高是T2D中高血糖的主要驱动因素之一，目前的研究结果表明，线粒体功能明显受损能促进其糖异生作用。IR伴代偿性高胰岛素血症是T2D和糖耐量受损的共同特征，两者都与CHD（冠心病）风险增加有关。对于IR和CHD之间的联系，可以在PD或T2D患者特有的高凝血状态中找到部分解释。一些研究表明，高胰岛素血症/高血糖与食物摄入后凝血级联激活之间存在联系，而另一些研究则表明，T2D患者静脉血栓栓塞的风险普遍增加。有研究进一步支持了这些发现，即输注葡萄糖可诱导健康受试者凝血酶(F2)生成的短暂上调，而且这种效果在T2D患者中更为明显。此外，动物研究表明，肥胖可通过增加F7活性导致脂肪组织中F2的生成上调;相反，F2的缺失可能会防止肥胖和IR。在这里，我们观察到TF、F2和丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的几个成员(包括PAI-1)的水平显著升高，这些成员在纤维蛋白凝块的形成和溶解中起着重要作用，预计这将导致血栓形成(图6)。此外，凝血系统的多种丝氨酸蛋白酶已被证明具有补体级联C5和C3的替代激活剂的功能，在对T2D患者血浆的其它蛋白质组学分析中，观察到这两种蛋白酶显著升高。这些途径在PD患者胰岛中被显著上调，后者在PD的肝脏中也被上调(图3、图 6 和图 7)。值得注意的是，与肝脏、VAT和骨骼肌相比，胰岛在PD患者中（与CTRL相比）显示出明显的蛋白质模式变化(图2 和 3)。PD 患者中止血和炎症活性增加的现象在T2D受试者中没有进一步增强(图 3)。相反，他们在免疫反应方面保留了与 PD类似的模式，而在补体激活、血小板和凝血激活的止血方面，甚至部分回归到 CTRL 水平。总之，这些数据与胰岛内血管、炎症和免疫损伤的早期潜在因果作用相一致，这些损伤导致其内分泌细胞功能障碍，这可能表现为胰岛素分泌不足和胰高血糖素水平升高。因此，可以推测，胰岛存在一种血管/炎症性胰岛炎，主要发生在糖尿病发展过程中，但随后消退。总之，我们报告了在T2D发展过程中的多个代谢相关组织中发生改变的大量生物通路。更重要的是，我们提出了一个多组织蛋白质组学图，描述了相比健康人，PD和T2D受试者的组织特异性代谢失调。

研究局限性

本研究纳入的受试者在ICU接受多种药物治疗，通常包括糖皮质激素和胰岛素，这些药物可能与潜在的代谢状况相互作用，以影响蛋白质组学数据。在 ICU患者中，通常会出现暂时性高血糖，非糖尿病患者也是如此，因此，没有糖尿病的患者，以及明显患有糖尿病的患者，通常会给予胰岛素以维持接近正常的血糖水平。未注射胰岛素的患者，其β细胞分泌的胰岛素维持在内源性水平。综上所述，我们观察到的组间蛋白质图谱的差异可能与慢性血糖状态有关，而与 ICU护理期间的急性血糖改变无关。

我们的结果需要在其他环境中进行交叉验证，包括额外的实验程序，以进一步确认，并有可能在临床研究中进行探索。本研究中，我们仅局限于报告的临床变量。在我们的分析中，我们对潜在的混杂技术因素进行了调整，包括CIT和胰岛样本的纯度。这项研究的性质，以及包括受试者的潜在炎症和临床变量的不可获得性等因素，可能影响了部分结果。血清的选择限制了我们对血液中凝血因子的研究。此外，不同医疗机构的采样方法和样本的存储控制可能在一定程度上影响了结果。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36198307/

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