Cell Metab | 磷酸化修饰组揭示“饭前百步走”可缓解胰岛素抵抗

摘要：胰岛素抵抗（Insulin Resistance, IR）是一种普遍存在的代谢异常状态，其特征是身体对胰岛素的反应减弱，导致胰岛素不能有效地促进葡萄糖的摄取和利用。胰岛素抵抗在全球范围内患病率极高，美国18岁以上成人约40%，中国25岁以上成人近30%，可能导

胰岛素抵抗（Insulin Resistance, IR）是一种普遍存在的代谢异常状态，其特征是身体对胰岛素的反应减弱，导致胰岛素不能有效地促进葡萄糖的摄取和利用。胰岛素抵抗在全球范围内患病率极高，美国18岁以上成人约40%，中国25岁以上成人近30%，可能导致2型糖尿病、心血管疾病等代谢性疾病的发生，对公共卫生构成重大威胁。

在胰岛素抵抗的治疗方面，除了药物治疗外，生活方式的干预也扮演着重要角色。特别是运动，已被证明能有效改善胰岛素敏感性，其作用机制可能涉及抵消胰岛素抵抗引起的分子特征和信号通路变化。尽管运动对提高胰岛素敏感性的益处已被广泛认可，但其背后的分子机制尚未完全阐明。

近日，丹麦哥本哈根大学Jørgen F.P. Wojtaszewski教授联合澳大利亚悉尼大学David E. James和Sean J. Humphrey团队在国际权威期刊Cell Metabolism（IF=27.7）上发表了题为“Personalized phosphoproteomics of skeletal muscle insulin resistance and exercise links MINDY1 to insulin action”[3]的最新科研成果。研究利用蛋白质组学和磷酸化修饰组学首次绘制了运动-时间维度IR中磷酸化修饰图谱，发现了MINDY1是胰岛素作用的调节因子，并证实磷酸化在调节胰岛素抵抗中的重要作用，为胰岛素抵抗相关代谢疾病的精准医疗提供新的理论基础。

实验方案设计：研究招募了19名健康且未经训练的人群（10名BMI位于正常区间或者通过胰岛素敏感测试的人群和9名BMI位于超重区间或者发生胰岛素抵抗的人群）进行检测。受试者首先进行1小时的单腿膝伸肌运动。在单腿运动恢复4小时后，研究人员在三个时间点进行了高胰岛素-血糖钳夹取（0，30min和120min）和骨骼肌活检（包含运动腿和非运动腿）。

实验方法、结论：研究通过对运动后不同时间点的骨骼肌组织进行蛋白质组学分析，并对114例骨骼肌活检组织进行磷酸化修饰组学分析发现，胰岛素抵抗涉及信号包括mTORC1信号通路，首次揭示。

图1 本研究模式图

IR的骨骼肌蛋白质组学

研究首先通过运动后不同时间点的高胰岛素-血糖钳夹取检测，验证运动可以部分抵消骨骼肌胰岛素抵抗的表型效应。

为了确定胰岛素抵抗是否涉及信号分子丰度的改变，研究者对运动后不同时间点的活检骨骼肌组织进行了蛋白质组学分析，共定量了5905种蛋白质，其中221个蛋白在胰岛素敏感（Insulin sensitivity，IS）组和胰岛素抵抗 (Insulin resistance，IR)组中存在显著差异。在这些蛋白中，54种蛋白既受差异调节又与胰岛素敏感性相关，包括代谢酶、磷酸化相关蛋白(PAK1, PAK6，PPP3CB和DUSP29)、泛素化调控酶（TNFAIP3、HERC6、LRRC41和FBXO7）和甲基化转移酶（METTL3）等。以上结果提示蛋白质翻译后修饰对于蛋白质功能和代谢的重要调控作用。

结合已发表的文献证据，作者进一步通过共调节网络分析发现线粒体蛋白质，膜动力学的蛋白（VPS39和ZFYVE19）与腿部葡萄糖摄取密切（LGU）相关。其中VPS39是同型融合和蛋白分选（HOPS）核内体系带复合体的一部分，VPS39水平降低可能是胰岛素抵抗和糖尿病发病机制中涉及的早期糖尿病前期现象。

图2 胰岛素抵抗的骨骼肌蛋白质组学

IR的骨骼肌磷酸化修饰组学

为了进一步描绘胰岛素反应性LGU的动态过程，研究人员对114例骨骼肌活检组织进行了磷酸化修饰组学的全面分析（每个受试者6个活检，n=19），共鉴定出1794个受到胰岛素调控的磷酸化修饰位点。有趣的是，研究观察到IR和IS之间的大多数差异与胰岛素反应无关。另一方面，研究发现每个受试者都有自己的磷酸化蛋白组“指纹”特征，每个个体的磷酸化蛋白组聚集性最强。

接下来，作者研究了已知的和预测的调节胰岛素介导的磷酸化增加的激酶。最值得注意的是，IR中有缺陷的胰岛素反应位点在mTOR底物中富集。与已知报道一致的是，mTORC1直接下游的p70S6K是缺陷位点中最富集的预测激酶。

不同时间点的磷酸化修饰组学分析发现，与0或120分钟相比，30分钟观察到的胰岛素诱导的肌肉葡萄糖摄取相关的磷酸化位点数量最多，mTOR底物的磷酸化与LGU的相关性最强，对胰岛素反应更强烈。以上结果提示mTOR信号通路与胰岛素反应性的重要关联。

图3 IR组对胰岛素的磷酸化蛋白质组反应存在选择性缺陷

磷酸化修饰组学研究疾病修饰相关的遗传变异背景

通过分析磷酸化组学数据与基因组关联研究（GWAS），研究发现存在246个磷酸化位点与2型糖尿病及其相关的胰岛素敏感性相关，32个位点与静息腿的LGU呈正相关，包括已知在胰岛素信号通路和代谢中的角色的蛋白（如IRS1、PFKM等）和尚未表征的对胰岛素反应的蛋白（MINDY1、HBS1L等）。

随后，研究重点分析了MINDY1的磷酸化修饰与胰岛素调控的关系。结果证明，MINDY1 S44是AKT的直接底物，MINDY1表达下调显著增强胰岛素刺激的葡萄糖摄取能力。

图4 磷酸化蛋白质组学与疾病遗传变异

综上所述，研究对运动后不同时间的IR个体和IS个体进行了个体表型、蛋白质组学和磷酸化修饰组学分析，阐明了运动过程和胰岛素刺激下，IR个体的磷酸化修饰“缺陷”，并且首次阐明骨骼肌中MINDY1对胰岛素刺激调控的葡萄糖摄取功能的抑制作用。研究结果为胰岛素抵抗相关的糖尿病精准医学和治疗策略提供了新思路。

图5 与葡萄糖摄取相关的时序性磷酸化位点和选定激酶的信号网络

景杰评述

本研究通过蛋白质组学和磷酸化修饰组学技术分析了胰岛素刺激下，运动与未运动的IR个体和IS个体骨骼肌的磷酸化修饰情况，结合个体表型阐述了IR重塑骨骼肌对胰岛素的反应的通路，揭示了运动通过磷酸化调控的信号传导介导胰岛素敏感的机制，并挖掘出了MINDY1是胰岛素作用的调节剂。这些结果提示了磷酸化介导的信号传导事件对于理解胰岛素信号通路复杂性、个体疾病作用机制，开发新的治疗靶点及精准医学研究具有巨大的研究潜力和价值。

值得一提的是，发生在酪氨酸位点上的磷酸化修饰，也在细胞信号传导中扮演着核心角色，尤其在通过酪氨酸受体激酶调控新药发现、老药新用和耐药性。因此，探究MINDY1受哪些酪氨酸受体激酶调控，及在胰岛素信号通路中的具体作用机制，从而指导临床药物开发，这也许是未来潜在的研究方向。

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