Ранний фосфопротеомный ответ скелетной мышцы на приём пищи при сахарном диабете 2 типа сопоставим с ответом здоровых людей

Аннотация

Снижение инсулинозависимого поглощения глюкозы скелетными мышцами, составляющими треть от массы тела, играет ключевую роль в развитии сахарного диабета 2 типа. Механизмы этого нарушения изучены недостаточно. В отличие от предыдущих работ, изучавших изменение фосфорилирования отдельных сайтов или фосфопротеомного профиля скелетной мышцы человека в ответ на инсулин (эугликемический-гиперинсулинемический клэмп‑тест), в настоящей работе впервые исследовали изменения сигнализации скелетной мышцы здоровых людей (n = 8) и пациентов с ожирением и сахарным диабетом 2 типа (n = 8) в ответ на приём смешанной пищи, нормированной на массу тела (моделирование естественного постпрандиального ответа). С помощью масс-спектрометрического анализа были исследованы постпрандиальные изменения фосфопротеомного профиля (4205 фосфосайтов, относящихся к 1208 белкам/белковым группам) и выявлены ключевые киназы, ассоциированные с этими изменениями. Приём пищи изменил уровень фосфорилирования 70 сайтов у здоровых людей и 36 сайтов у пациентов. Однако вызванное едой изменение уровня фосфорилирования белков канонических инсулиновых каскадов было сопоставимо между группами. Это объясняется значительно увеличенным постпрандиальным уровнем инсулина в крови у пациентов, вызванным снижением инсулинозависимого поглощения глюкозы тканями и большим количеством принимаемой пищи по сравнению со здоровыми людьми. Только у здоровых людей было обнаружено изменение постпрандиального уровня фосфорилирования нескольких белков, регулирующих транслокацию и/или экспозицию GLUT4-содержащих везикул (SRBS1, CIP4/2, ABI1, SVIL, CPZIP, PLEC и COBL). Это позволило предположить, что нарушение инсулинозависимого поглощения глюкозы скелетными мышцами пациентов связано главным образом с нарушением регуляции GLUT4-содержащих везикул.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Дополнительные материалы

Приложение

Вклад авторов

Д.В. Попов, А.В. Воротников, Э.И. Якупова, М.В. Шестакова – концепция и руководство работой; Е.М. Леднев, Т.Ф. Вепхвадзе, А.О. Томилова, Д.В. Попов – работа с добровольцами и пациентами, проведение интервенций; Э.И. Якупова и Д.В. Попов – пробоподготовка образцов для масс-спектрометрического и Вестерн-блот анализа; И.П. Смирнов, В.Г. Згода, Н.Е. Вавилов – фракционирование и масс-спектрометрический анализ образцов; Н.В. Подкуйченко – Вестерн-блот анализ; Д.В. Попов, Э.И. Якупова – биоинформатический и статистический анализ данных; Д.В. Попов, А.В. Воротников, Э.И. Якупова, Н.В. Подкуйченко, М.В. Шестакова – обсуждение результатов исследования и их биологическая интерпретация; Э.И. Якупова и Д.В. Попов – написание текста статьи. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 25-25-20099).

Благодарности

Масс-спектрометрические измерения выполнены на оборудовании ЦКП «Протеом человека» на базе НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича (Москва).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Исследование было одобрено Комитетом по биомедицинской этике Института медико-биологических проблем РАН (№ 613 от 29 марта 2022 г.) и Локальным этическим комитетом ГНЦ ФГБУ «НМИЦ Эндокринологии» МЗ РФ (№ 4 от 14 февраля 2022 г.) и проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией. Письменное информированное согласие было получено от всех добровольцев.

Список литературы

1. Petersen, M. C., and Shulman, G. I. (2018) Mechanisms of insulin action and insulin resistance, Physiol. Rev., 98, 2133-2223, https://doi.org/10.1152/physrev.00063.2017.

2. Yakupova, E. I., and Popov, D. V. (2024) Effect of insulin on the phosphoproteome of skeletal muscles in normal conditions and with insulin resistance, Genes Cells, 19, 359-371, https://doi.org/10.17816/gc630891.

3. James, D. E., Stockli, J., and Birnbaum, M. J. (2021) The aetiology and molecular landscape of insulin resistance, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 22, 751-771, https://doi.org/10.1038/s41580-021-00390-6.

4. Frojdo, S., Vidal, H., and Pirola, L. (2009) Alterations of insulin signaling in type 2 diabetes: a review of the current evidence from humans, Biochim. Biophys. Acta, 1792, 83-92, https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2008.10.019.

5. Karlsson, H. K. R., Kasahara, A., Ikeda, M., Chibalin, A. V., Harada, J., Ryden, M., Krook, A., Kato, M., Kubota, K., and Zierath, J. R. (2021) Quantitative phosphoproteomic analysis of IRS1 in skeletal muscle from men with normal glucose tolerance or type 2 diabetes: a case-control study, Metabolism, 118, 154726, https://doi.org/10.1016/j.metabol.2021.154726.

6. Langlais, P., Yi, Z., Finlayson, J., Luo, M., Mapes, R., De Filippis, E., Meyer, C., Plummer, E., Tongchinsub, P., Mattern, M., and Mandarino, L. J. (2011) Global IRS-1 phosphorylation analysis in insulin resistance, Diabetologia, 54, 2878-2889, https://doi.org/10.1007/s00125-011-2271-9.

7. Kim, Y. B., Kotani, K., Ciaraldi, T. P., Henry, R. R., and Kahn, B. B. (2003) Insulin-stimulated protein kinase C lambda/zeta activity is reduced in skeletal muscle of humans with obesity and type 2 diabetes: reversal with weight reduction, Diabetes, 52, 1935-1942, https://doi.org/10.2337/diabetes.52.8.1935.

8. Bandyopadhyay, G. K., Yu, J. G., Ofrecio, J., and Olefsky, J. M. (2005) Increased p85/55/50 expression and decreased phosphotidylinositol 3-kinase activity in insulin-resistant human skeletal muscle, Diabetes, 54, 2351-2359, https://doi.org/10.2337/diabetes.54.8.2351.

9. Beeson, M., Sajan, M. P., Dizon, M., Grebenev, D., Gomez-Daspet, J., Miura, A., Kanoh, Y., Powe, J., Bandyopadhyay, G., Standaert, M. L., and Farese, R. V. (2003) Activation of protein kinase C-zeta by insulin and phosphatidylinositol-3,4,5-(PO4)3 is defective in muscle in type 2 diabetes and impaired glucose tolerance: amelioration by rosiglitazone and exercise, Diabetes, 52, 1926-1934, https://doi.org/10.2337/diabetes.52.8.1926.

10. Kim, Y. B., Nikoulina, S. E., Ciaraldi, T. P., Henry, R. R., and Kahn, B. B. (1999) Normal insulin-dependent activation of Akt/protein kinase B, with diminished activation of phosphoinositide 3-kinase, in muscle in type 2 diabetes, J. Clin. Invest., 104, 733-741, https://doi.org/10.1172/JCI6928.

11. Krook, A., Bjornholm, M., Galuska, D., Jiang, X. J., Fahlman, R., Myers, M. G., Jr., Wallberg-Henriksson, H., and Zierath, J. R. (2000) Characterization of signal transduction and glucose transport in skeletal muscle from type 2 diabetic patients, Diabetes, 49, 284-292, https://doi.org/10.2337/diabetes.49.2.284.

12. Vind, B. F., Birk, J. B., Vienberg, S. G., Andersen, B., Beck-Nielsen, H., Wojtaszewski, J. F., and Hojlund, K. (2012) Hyperglycaemia normalises insulin action on glucose metabolism but not the impaired activation of AKT and glycogen synthase in the skeletal muscle of patients with type 2 diabetes, Diabetologia, 55, 1435-1445, https://doi.org/10.1007/s00125-012-2482-8.

13. Tonks, K. T., Ng, Y., Miller, S., Coster, A. C., Samocha-Bonet, D., Iseli, T. J., Xu, A., Patrick, E., Yang, J. Y., Junutula, J. R., Modrusan, Z., Kolumam, G., Stockli, J., Chisholm, D. J., James, D. E., and Greenfield, J. R. (2013) Impaired Akt phosphorylation in insulin-resistant human muscle is accompanied by selective and heterogeneous downstream defects, Diabetologia, 56, 875-885, https://doi.org/10.1007/s00125-012-2811-y.

14. Karlsson, H. K., Zierath, J. R., Kane, S., Krook, A., Lienhard, G. E., and Wallberg-Henriksson, H. (2005) Insulin-stimulated phosphorylation of the Akt substrate AS160 is impaired in skeletal muscle of type 2 diabetic subjects, Diabetes, 54, 1692-1697, https://doi.org/10.2337/diabetes.54.6.1692.

15. Krook, A., Roth, R. A., Jiang, X. J., Zierath, J. R., and Wallberg-Henriksson, H. (1998) Insulin-stimulated Akt kinase activity is reduced in skeletal muscle from NIDDM subjects, Diabetes, 47, 1281-1286, https://doi.org/10.2337/diabetes.47.8.1281.

16. Meyer, M. M., Levin, K., Grimmsmann, T., Beck-Nielsen, H., and Klein, H. H. (2002) Insulin signalling in skeletal muscle of subjects with or without Type II-diabetes and first degree relatives of patients with the disease, Diabetologia, 45, 813-822, https://doi.org/10.1007/s00125-002-0830-9.

17. Hojlund, K., Staehr, P., Hansen, B. F., Green, K. A., Hardie, D. G., Richter, E. A., Beck-Nielsen, H., and Wojtaszewski, J. F. (2003) Increased phosphorylation of skeletal muscle glycogen synthase at NH2-terminal sites during physiological hyperinsulinemia in type 2 diabetes, Diabetes, 52, 1393-1402, https://doi.org/10.2337/diabetes.52.6.1393.

18. Batista, T. M., Jayavelu, A. K., Wewer Albrechtsen, N. J., Iovino, S., Lebastchi, J., Pan, H., Dreyfuss, J. M., Krook, A., Zierath, J. R., Mann, M., and Kahn, C. R. (2020) A cell-autonomous signature of dysregulated protein phosphorylation underlies muscle insulin resistance in type 2 diabetes, Cell Metab., 32, 844-859.e845, https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.08.007.

19. Needham, E. J., Hingst, J. R., Onslev, J. D., Diaz-Vegas, A., Leandersson, M. R., Huckstep, H., Kristensen, J. M., Kido, K., Richter, E. A., Hojlund, K., Parker, B. L., Cooke, K., Yang, G., Pehmoller, C., Humphrey, S. J., James, D. E., and Wojtaszewski, J. F. P. (2024) Personalized phosphoproteomics of skeletal muscle insulin resistance and exercise links MINDY1 to insulin action, Cell Metab., 36, 2542-2559.e2546, https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.10.020.

20. Kjaergaard, J., Stocks, B., Henderson, J., Freemantle, J. B., Rizo-Roca, D., Puglia, M., Madrazo Montoya, M., Andersson, D., Backdahl, J., Eriksson-Hogling, D., Stidsen, J. V., Wierer, M., Rasmussen, S., Sakamoto, K., Hojlund, K., Ryden, M., Zierath, J. R., Krook, A., and Deshmukh, A. S. (2025) Personalized molecular signatures of insulin resistance and type 2 diabetes, Cell, 188, 4106-4122.e4116, https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.005.

21. Casado, P., Rodriguez-Prados, J. C., Cosulich, S. C., Guichard, S., Vanhaesebroeck, B., Joel, S., and Cutillas, P. R. (2013) Kinase-substrate enrichment analysis provides insights into the heterogeneity of signaling pathway activation in leukemia cells, Sci. Signal., 6, rs6, https://doi.org/10.1126/scisignal.2003573.

22. Yadav, Y., and Dey, C. S. (2022) Ser/Thr phosphatases: One of the key regulators of insulin signaling, Rev. Endocr. Metab. Disord., 23, 905-917, https://doi.org/10.1007/s11154-022-09727-8.

23. McQuaid, S. E., Hodson, L., Neville, M. J., Dennis, A. L., Cheeseman, J., Humphreys, S. M., Ruge, T., Gilbert, M., Fielding, B. A., Frayn, K. N., and Karpe, F. (2011) Downregulation of adipose tissue fatty acid trafficking in obesity: a driver for ectopic fat deposition? Diabetes, 60, 47-55, https://doi.org/10.2337/db10-0867.

24. Frayn, K. N. (2019) Turning over our fat stores: the key to metabolic health Blaxter Award Lecture 2018, Proc. Nutr. Soc., 78, 398-406, https://doi.org/10.1017/S0029665118002598.

25. Makhnovskii, P. A., Lednev, E. M., Gavrilova, A. O., Kurochkina, N. S., Vepkhvadze, T. F., Shestakova, M. V., and Popov, D. V. (2023) Dysregulation of early gene response to a mixed meal in skeletal muscle in obesity and type 2 diabetes, Physiol. Genomics, 55, 468-477, https://doi.org/10.1152/physiolgenomics.00046.2023.

26. Lednev, E. M., Gavrilova, A. O., Vepkhvadze, T. F., Makhnovskii, P. A., Shestakova, M. V., and Popov, D. V. (2023) Disturbances in dynamics of glucose, insulin, and C-peptide in blood after a normalized intake of a mixed meal in obesity and type 2 diabetes mellitus, Hum. Physiol., 49, 668-674, https://doi.org/10.1134/S0362119723600297.

27. Yu, S. H., Kyriakidou, P., and Cox, J. (2020) Isobaric matching between runs and novel PSM-level normalization in maxquant strongly improve reporter ion-based quantification, J. Proteome Res., 19, 3945-3954, https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.0c00209.

28. Needham, E. J., Hingst, J. R., Parker, B. L., Morrison, K. R., Yang, G., Onslev, J., Kristensen, J. M., Hojlund, K., Ling, N. X. Y., Oakhill, J. S., Richter, E. A., Kiens, B., Petersen, J., Pehmoller, C., James, D. E., Wojtaszewski, J. F. P., and Humphrey, S. J. (2022) Personalized phosphoproteomics identifies functional signaling, Nat. Biotechnol., 40, 576-584, https://doi.org/10.1038/s41587-021-01099-9.

29. Kjaergaard, J., Lindqvist, C. B., Quesada, J. P., Jessen, S., Schlabs, F., Ehrlich, A. M., Yonamine, C. Y., Garcia-Urena, M., Schmalbruch, J. H., Small, L., Thomassen, M., Lemminger, A. K., Eibye, K., Gonzalez-Franquesa, A., Stidsen, J. V., Hojlund, K., Zierath, J. R., Kilpelainen, T. O., Bangsbo, J., Treebak, J. T., et al. (2025) Insulin- and exercise-induced phosphoproteomics of human skeletal muscle identify REPS1 as a regulator of muscle glucose uptake, Cell. Rep. Med., 6, 102163, https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2025.102163.

30. Small, L., Brandon, A. E., Parker, B. L., Deshpande, V., Samsudeen, A. F., Kowalski, G. M., Reznick, J., Wilks, D. L., Preston, E., Bruce, C. R., James, D. E., Turner, N., and Cooney, G. J. (2019) Reduced insulin action in muscle of high fat diet rats over the diurnal cycle is not associated with defective insulin signaling, Mol. Metab., 25, 107-118, https://doi.org/10.1016/j.molmet.2019.04.006.

31. Needham, E. J., Parker, B. L., Burykin, T., James, D. E., and Humphrey, S. J. (2019) Illuminating the dark phosphoproteome, Sci. Signal., 12, eaau8645, https://doi.org/10.1126/scisignal.aau8645.

32. He, J., and Kelley, D. E. (2004) Muscle glycogen content in type 2 diabetes mellitus, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 287, E1002-E1007, https://doi.org/10.1152/ajpendo.00015.2004.

33. Cline, G. W., Petersen, K. F., Krssak, M., Shen, J., Hundal, R. S., Trajanoski, Z., Inzucchi, S., Dresner, A., Rothman, D. L., and Shulman, G. I. (1999) Impaired glucose transport as a cause of decreased insulin-stimulated muscle glycogen synthesis in type 2 diabetes, N. Engl. J. Med., 341, 240-246, https://doi.org/10.1056/NEJM199907223410404.

34. Perseghin, G., Price, T. B., Petersen, K. F., Roden, M., Cline, G. W., Gerow, K., Rothman, D. L., and Shulman, G. I. (1996) Increased glucose transport-phosphorylation and muscle glycogen synthesis after exercise training in insulin-resistant subjects, N. Engl. J. Med., 335, 1357-1362, https://doi.org/10.1056/NEJM199610313351804.

35. Lim, E. L., Hollingsworth, K. G., Smith, F. E., Thelwall, P. E., and Taylor, R. (2011) Effects of raising muscle glycogen synthesis rate on skeletal muscle ATP turnover rate in type 2 diabetes, Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab., 301, E1155-E1162, https://doi.org/10.1152/ajpendo.00278.2011.

36. Leto, D., and Saltiel, A. R. (2012) Regulation of glucose transport by insulin: traffic control of GLUT4, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 13, 383-396, https://doi.org/10.1038/nrm3351.

37. Batty, S. R., and Langlais, P. R. (2021) Microtubules in insulin action: what’s on the tube? Trends Endocrinol Metab, 32, 776-789, https://doi.org/10.1016/j.tem.2021.07.008.

38. Vorotnikov, A. V., Popov, D. V., and Makhnovskii, P. A. (2022) Signaling and gene expression in skeletal muscles in type 2 diabetes: current results and OMICS perspectives, Biochemistry (Moscow), 87, 1021-1034, https://doi.org/10.1134/S0006297922090139.

39. Habib, K., Gul, S., and Aamir, A. H. (2024) Average Carbohydrate and CaLoric Intake of Patients with Type-2 diabetes at a tertiary care hospital in Pakistan: ACCLIP study, Pak. J. Med. Sci., 40, 1925-1929, https://doi.org/10.12669/pjms.40.9.8968.

40. Rivellese, A. A., Boemi, M., Cavalot, F., Costagliola, L., De Feo, P., Miccoli, R., Patti, L., Trovati, M., Vaccaro, O., and Zavaroni, I. (2008) Dietary habits in type II diabetes mellitus: how is adherence to dietary recommendations? Eur. J. Clin. Nutr., 62, 660-664, https://doi.org/10.1038/sj.ejcn.1602755.

41. Alamri, E. S. (2019) The association between the timing of energy intake and the risk of overweight and obesity among Saudi female university student, Saudi Med. J., 40, 1272-1277, https://doi.org/10.15537/smj.2019.12.24686.

42. Paradis, A. M., Godin, G., Perusse, L., and Vohl, M. C. (2009) Associations between dietary patterns and obesity phenotypes, Int. J. Obes. (Lond), 33, 1419-1426, https://doi.org/10.1038/ijo.2009.179.