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2 型糖尿病是一项日益严峻的全球性健康挑战，全球病例已超过 5 亿（2023 年）。2 型糖尿病的特征为空腹或餐后血糖水平升高，以及外周胰岛素抵抗，这种抵抗会影响肝脏、脂肪组织和骨骼肌。因此，2 型糖尿病的发病机制具有显著的异质性，疾病进展受到遗传和环境因素的共同影响。深度表型分析和亚组分层研究表明，2 型糖尿病的不同集群与临床结局相关。这种复杂性凸显了在诊断、预防和治疗模式中考虑个体差异的必要性 。 过去几十年中，在推断胰岛素调节葡萄糖摄取的机制以及 2 型糖尿病中抵抗位点方面取得了重大进展 ?。利用高胰岛素 - 正常血糖钳夹技术的临床研究证实，从数量上看，骨骼肌是胰岛素刺激的葡萄糖摄取的主要组织，也是 2 型糖尿病中胰岛素抵抗的主要部位。胰岛素刺激的葡萄糖摄取受损被认为是一种受体后缺陷，涉及翻译后修饰以及葡萄糖转运蛋白 4（GLUT4）向质膜的募集不足，而非信号分子或葡萄糖转运蛋白的丰度降低。
基于质谱的蛋白质组学已成为阐明细胞信号调控机制和疾病发病机制的强大工具。这一方法已在癌症研究和诊断中得到应用，证实了蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学在精准医学中的实用价值。然而，针对胰岛素抵抗相关组织、且样本量充足的蛋白质组学专项研究匮乏，这阻碍了 2 型糖尿病领域类似靶向策略的开发。要理解 2 型糖尿病内部复杂的异质性，需要一种范式转变。通过探究表型特征、蛋白质组和磷酸化蛋白质组特征的变异，以及对不同环境刺激的反应，可以预测致病蛋白质和通路的改变，进而实现个性化策略。有鉴于此，作者利用先进的蛋白质组学技术和深入的体内表型分析，在 120 余名糖耐量正常或患有 2 型糖尿病的男性和女性队列中，绘制了致糖尿病特征与骨骼肌蛋白质图谱的关联。找出了与胰岛素抵抗相关的关键分子通路。骨骼肌的分子特征与胰岛素敏感性的临床标志物密切相关，而非与空腹血糖控制相关。
为探究胰岛素抵抗和 2 型糖尿病的分子机制，研究团队招募了 77 名参与者组成发现队列，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%）。为验证观察结果，获取了一项已发表研究中另外 46 名参与者的样本组成验证队列，该队列包括 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%）。每个队列都接受了体内血糖表型分析，采用的是临床相关诊断指标，如空腹血糖和糖化血红蛋白（分别用于衡量急性和慢性血糖控制情况），以及空腹胰岛素、HOMA1-IR（根据空腹胰岛素和血糖估算胰岛素抵抗的指标）和高胰岛素 - 正常血糖钳夹试验得出的 M 值（衡量胰岛素敏感性的敏感指标）。在高胰岛素 - 正常血糖钳夹试验前后均采集了骨骼肌活检样本，以便评估个体在空腹状态下的蛋白质组和磷酸化蛋白质组分子特征，以及急性胰岛素信号传导的动态变化。
图1.
人类骨骼肌中胰岛素敏感性的蛋白质组特征
借助发现队列中的异质性，以及蛋白质组和磷酸化蛋白质组对胰岛素敏感性（M 值）的预测能力，作者开展了一项综合分析，将蛋白质水平与 M 值相关联，以阐明个体蛋白质丰度与全身胰岛素敏感性之间的关系。该分析得出了空腹状态下蛋白质丰度与全身胰岛素敏感性之间的 136 种关联（采用肯德尔等级相关法，错误发现率 [FDR]＜5%），其中热休克相关 70kDa 蛋白 2（HSPA2）和 D-β- 羟丁酸脱氢酶（BDH1）分别与胰岛素敏感性呈强负相关和强正相关。在验证队列中重现了这些观察结果，且 89% 的变化方向保持一致。值得注意的是，在对 2 型糖尿病患者与糖耐量正常者进行离散比较时，仅发现 15 种蛋白质存在差异。即使在差异调节的蛋白质中，诊断组内的异质性也相当显著，HSPA2 和 BDH1 的情况便体现了这一点。这一结果凸显了诊断组内蛋白质组图谱的显著差异，并强调了基于胰岛素敏感性等代谢健康连续测量指标来开展高级诊断和靶向治疗的必要性。
图2.
与胰岛素敏感性呈正相关的蛋白质涉及氧化磷酸化、脂肪酸降解等代谢通路（图 2B），这些通路通常与胰岛素抵抗和 2 型糖尿病相关 。相比之下，呈负相关的蛋白质参与的过程在胰岛素抵抗研究中普遍未被充分探索，包括蛋白酶体和泛素介导的蛋白水解，以及 Wnt 信号和肾上腺素能信号。这表明蛋白质降解 / 周转的改变可能促进胰岛素抵抗的发生。研究团队发现，不同诊断组之间的线粒体总蛋白丰度无显著差异（图 2C），这支持了 “临床表型而非疾病诊断更能反映胰岛素抵抗潜在生物学特征” 的观点。然而，线粒体总蛋白丰度与胰岛素敏感性相关（图 2D），由此作者得出结论：骨骼肌线粒体丰度并非 2 型糖尿病的固有特征，而是与胰岛素敏感性相关。值得注意的是，在调整线粒体丰度的变异后，ATP 合酶复合体（复合体 V）在所有电子传递链复合体中与胰岛素敏感性的相关性最强（图 2E）。这些发现揭示了特定通路与胰岛素敏感性的关联，强调蛋白质降解可能是胰岛素抵抗的一个促成因素，并表明线粒体丰度反映的是胰岛素敏感性而非糖尿病状态。
为进一步剖析骨骼肌健康状态下的代谢机制，作者计算了参与氧化磷酸化（三羧酸循环 + 电子传递链）和糖酵解过程的蛋白质总丰度。观察发现，从低胰岛素敏感性个体到高胰岛素敏感性个体，氧化磷酸化相关蛋白的丰度占比从 7% 明显增加到 10%（图 2G）。相反，糖酵解相关蛋白的占比减少，表明随着胰岛素敏感性的提高，代谢特征发生了转变。此外，作者观察到糖酵解 / 氧化蛋白的比例与胰岛素敏感性呈负相关，这表明在不同代谢阶段，代谢蛋白结构存在显著差异（图 2H）。
空腹状态下的磷酸化蛋白质组图谱是胰岛素敏感性的关键决定因素
接下来，研究团队通过对空腹状态下 2 型糖尿病患者与糖耐量正常者的骨骼肌样本进行离散比较，探究了空腹 / 非胰岛素刺激状态下骨骼肌磷酸化蛋白质组的影响。分析显示，有 43 个磷酸化位点的磷酸化状态发生改变，包括膜间脂质转运蛋白 VPS13B 的 S206 位点磷酸化上调，以及 α- 内收蛋白（ADD1）的 S358 位点磷酸化下调 —— 这两种蛋白均已在 2 型糖尿病和胰岛素作用相关研究中被探讨过。 
图3.
对显著改变的磷酸化位点进行激酶富集分析发现，与胰岛素信号相关的激酶（如 AKT、AMP 激活的蛋白激酶 [AMPK]、核糖体蛋白 S6 激酶 β1 [RPS6KB1，又称 P70S6K] 和核糖体蛋白 S6 激酶 α2 [RPS6KA2，又称 RSK-3]）的活性在 2 型糖尿病患者中下调。事实上，对这些通路中的多个通路进行抑制会诱发胰岛素抵抗。相反，与转化生长因子 β（TGF-β）和骨形态发生蛋白（BMP）信号相关的激酶（包括 BMPR1A/B、酪蛋白激酶 2α 亚基 [CSNK2A2]、TGF-β 受体 1 [TGFBR1]、钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 IIγ 亚基 [CAMK2G] 和糖原合成酶激酶 3α[GSK3A]）的活性上调（已有研究表明，TGF-β 信号增强与啮齿类动物和人类 2 型糖尿病的发生发展相关 。
图4.
鉴于空腹 / 基础状态下蛋白质与胰岛素敏感性存在关联，作者采用类似方法探究了蛋白质磷酸化与胰岛素敏感性的关联。结果显示，空腹状态下有 118 个磷酸化位点与胰岛素敏感性相关，而仅在胰岛素刺激状态下相关的磷酸化位点为 66 个，这表明大多数磷酸化过程独立于急性胰岛素作用。聚焦于不依赖胰岛素刺激的、与胰岛素敏感性相关的关联，作者发现 93% 的此类关联在验证队列中保持了一致的变化方向。这些发现凸显了空腹磷酸化蛋白质组对全身胰岛素刺激的葡萄糖代谢的预测能力。
胰岛素抵抗状态下保留及失调的胰岛素信号传导
胰岛素信号传导介导多种代谢及合成代谢反应。本研究发现，经 30 分钟胰岛素刺激后，有 243 个磷酸化位点受到调控。其中包括经典胰岛素信号蛋白的磷酸化水平升高，如 TBC1 结构域家族成员 4（TBC1D4）的 S341 位点、富含脯氨酸的 AKT1 底物 1（AKT1S1）的 T246 位点、结节性硬化蛋白 2（TSC2）的 T1462 位点，以及一些研究较少的蛋白，如 PAT1 同源蛋白 1（PATL1）的 T194 位点。对这些受胰岛素调控的磷酸化位点（TSC2 T1462、AKT1S1 S183、AKT1S1 T246）进行靶向定量，验证了观察到的胰岛素刺激引起的升高。
受胰岛素调控的位点富集于与蛋白质激活、抑制、定位、蛋白质间相互作用及疾病相关的调控功能。无偏倚的激酶富集分析显示，与胰岛素和自噬信号相关的经典胰岛素激活激酶被激活，包括 PDK1、mTOR、AKT、SGK1、S6K（RPS6KB1）和 RSK（RPS6KA1、-3 和 - 6）（错误发现率＜5%；图 4B 和 4C）。此外，还发现了几种先前未被描述的胰岛素激活激酶，包括双皮质素样激酶 1（DCLK1）、细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）-2、-6、-16，以及丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶 11（NEK11）。
为了确定上游激酶，研究团队分析了人 AMPKγ3 S65 周围的序列，发现预测概率最高的激酶是 MAP 激酶激活的蛋白激酶 2（MAPKAPK2）和 CAMK2 家族成员。MAPKAPK2 是 p38 激酶的直接下游靶标，可调节细胞应激和炎症反应，因此在胰岛素抵抗中观察到的 p38/JNK 激酶活性升高与 AMPKγ3 S65 磷酸化增加之间建立了机制上的联系。
为进一步探究这一点，作者用选择性 MAPKAPK2 抑制剂 CC-99677 处理原代人骨骼肌肌管（图 3I）。除了预期的热休克蛋白 β1（HSPB1）S15 磷酸化水平降低（HSPB1 是已知的 MAPKAPK2 底物）外，质谱分析显示，人肌管经 CC-99677 处理后，AMPKγ3 S65 的磷酸化水平也显著降低（图 3I）。通过在异位表达人 AMPKα2β2γ3 的 AMPKα1/α2 双敲除（DKO）HEK293 细胞中使用内部生成的 AMPKγ3 S65 磷酸化特异性抗体，这一结果得到了证实（图 S5B-S5D）。这些数据表明 MAPKAPK2 是 AMPKγ3 S65 的上游调节因子。此外，对发现队列骨骼肌中 HSPB1 S82 的靶向磷酸肽定量分析显示，其与胰岛素敏感性呈负相关，表明在胰岛素抵抗状态下 MAPKAPK2 活性升高（图 3H）。
总之，研究团队通过运用蛋白质组学技术，本研究利用 2 型糖尿病病理生理学中固有的异质性，阐明了胰岛素抵抗的潜在机制。揭示了骨骼肌胰岛素抵抗的一些先前未被识别的特征，这些特征是传统比较方法无法检测到的。在此过程中，确定了与胰岛素抵抗相关的关键分子通路。总体而言，这些发现强调了将疾病异质性纳入诊断分类的重要性，并支持为 2 型糖尿病治疗开发基于机制的靶向治疗策略的必要性。
全文链接：
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.
