Cell | 告别“一刀切”：骨骼肌深层分子图谱，开启糖尿病精准医疗新篇章！

生物探索

2025-06-02 15:31发布于江苏科学领域创作者

AI划重点 · 全文约7147字，阅读需21分钟

1.《Cell》杂志发表了一项突破性研究，利用蛋白质组学技术深入探索了人体骨骼肌在胰岛素抵抗中的作用。

2.研究发现，仅仅通过禁食状态下的骨骼肌分子特征，就能精准预测个体全身的胰岛素敏感性，其预测力甚至超越了传统的临床诊断指标。

3.除此之外，研究还揭示了男性和女性在骨骼肌代谢上的显著差异，但驱动胰岛素抵抗的核心分子机制却出奇地相似。

4.该研究为我们深入理解胰岛素抵抗和2型糖尿病的分子病理学打开了新视野，为未来糖尿病的管理提供了新的方向。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

胰岛素（insulin）就像一把钥匙，它负责让血液中的葡萄糖（glucose）进入细胞，转化为能量。但对于全球超过5亿的2型糖尿病（Type 2 Diabetes, T2D）患者来说，这把钥匙似乎越来越不灵光了。当身体的细胞对胰岛素“呼唤”渐趋“失聪”，也就是胰岛素抵抗（insulin resistance）。

这不仅仅是一个数字，它代表着无数个体正在与一种复杂而高度异质性的疾病作斗争。2型糖尿病并非千人一面的简单病症，而是一幅由无数独特“面孔”组成的复杂拼图，每个人的基因（genetic）与环境（environmental）交织，塑造了其独一无二的病程发展和临床表现。以往“一刀切”的诊疗模式，往往无法触及疾病深层次的分子异质性，导致治疗效果参差不齐。我们能否更精准地理解每个人的胰岛素抵抗，从而为他们量身定制治疗方案呢？这正是医学界长期以来的巨大挑战。

为了解开这团迷雾，5月27日一项发表在《Cell》杂志上的突破性研究“Personalized molecular signatures of insulin resistance and type 2 diabetes”，利用前所未有的“分子望远镜”，深入探索了人体骨骼肌（skeletal muscle）——这个葡萄糖吸收的“主战场”——的奥秘。研究团队对120多名志愿者的骨骼肌样本进行了蛋白质组学（proteomics）和磷酸化蛋白质组学（phosphoproteomics）分析，绘制出了一幅幅精密的分子图谱。这不仅仅是一次技术上的飞跃，更是一次对生命个体独特性的深刻洞察。

令人惊奇的是，研究人员发现，仅仅通过禁食（fasting）状态下的骨骼肌分子特征，就能精准预测个体全身的胰岛素敏感性（insulin sensitivity），其预测力甚至超越了传统的临床诊断指标。更颠覆认知的是，即便是在重度胰岛素抵抗的患者体内，胰岛素信号通路（insulin signaling pathway）仍有一些关键节点“奇迹般”地保持着活力，并非全面崩溃！此外，研究还揭示了男性和女性在骨骼肌代谢上的显著差异，然而，驱动胰岛素抵抗的核心分子机制却出奇地相似。这好比身体奏响的旋律各有不同，但其基础乐章却惊人地和谐统一。

这些发现不仅刷新了我们对胰岛素抵抗的理解，更为未来2型糖尿病的精准化、个性化治疗策略指明了方向。

为什么胰岛素抵抗难以捉摸？——疾病异质性的分子深渊

要理解胰岛素抵抗的复杂性，首先要认识到其惊人的个体差异。

“葡萄糖钳夹”下的真实图景：身体的“敏感”与“迟钝”

在这项研究中，研究人员招募了120多名志愿者，包括正常葡萄糖耐量（Normal Glucose Tolerance, NGT）个体和2型糖尿病患者。他们采用了“高胰岛素-正葡萄糖钳夹技术”（hyperinsulinemic-euglycemic clamp），这是一种衡量全身胰岛素敏感性（whole-body insulin sensitivity）的“金标准”。通过精确控制胰岛素水平并监测葡萄糖输注率（glucose infusion rate, GIR），研究人员得到了胰岛素敏感性指数（M-value）。M-value越高，代表胰岛素敏感性越好。

数据显示，2型糖尿病患者的全身胰岛素敏感性显著下降，这犹如身体对胰岛素的“呼唤”变得迟钝。然而，令人震惊的是，即使在2型糖尿病患者内部，胰岛素敏感性指数（M-value）也存在巨大的差异，在发现队列中，最高与最低之间竟有高达36倍的差距！更出人意料的是，一些2型糖尿病患者的胰岛素敏感性，甚至比某些正常葡萄糖耐量（NGT）的个体还要高。这清晰地表明，仅仅依据临床诊断，远不足以反映个体真实的代谢健康状况。

身体的“分子指纹”：蛋白质组学与磷酸化蛋白质组学

为了描绘如此精微的个体差异，研究团队采用了高通量（high-throughput）、半自动化（semi-automated）蛋白质组学工作流程，结合数据非依赖性采集（Data-Independent Acquisition, DIA-PASEF）质谱技术，对来自受试者的骨骼肌活检样本进行了深入分析。

他们成功量化了约3000种蛋白质（proteins）和约15000个磷酸化位点（phosphosites）。值得注意的是，在这些磷酸化位点中，丝氨酸（serine）磷酸化占比约为62%，苏氨酸（threonine）磷酸化占比约为29%，而酪氨酸（tyrosine）磷酸化则达到了惊人的10%。这一独特的酪氨酸磷酸化图谱，在骨骼肌中尤为突出，与许多其他组织中酪氨酸磷酸化通常仅占0.1%-2%的比例形成了鲜明对比。

如此庞大的数据量，其准确性如何？研究人员通过评估磷酸化蛋白质组学的批次内技术变异系数（technical coefficient of variation）发现，该工作流程的变异系数中位数仅为8%，这表明数据的高度可靠性，绝大部分变异来源于生物学本身而非技术误差。

绘就“生命蓝图”：前沿蛋白质组学技术的利器

这项研究的最大亮点之一，便是通过对骨骼肌蛋白质组（proteome）和磷酸化蛋白质组（phosphoproteome）的全面分析，揭示了预测全身胰岛素敏感性的关键分子特征。

禁食状态下的“未卜先知”：蛋白质组与磷酸化蛋白质组的预测力

研究发现，在禁食（fasting）状态下，骨骼肌的蛋白质组和磷酸化蛋白质组，能够极大地预测全身胰岛素敏感性。当预测胰岛素敏感性状态（高或低）时，蛋白质组和磷酸化蛋白质组的受试者工作特征曲线下面积（Area Under the Curve, AUC）分别达到了0.93和0.96。这意味着它们比简单的2型糖尿病临床诊断（AUC分别为0.85和0.82）具有更强的预测能力。

更具体地说，骨骼肌蛋白质组与禁食胰岛素（fasting insulin）、HOMA1-IR（一种胰岛素抵抗的估算指标）和M-value等胰岛素依赖性临床指标具有强相关性，但与禁食血糖（fasting blood glucose）和糖化血红蛋白（HbA1c）的关联性较弱。而磷酸化蛋白质组（无论是禁食还是胰岛素刺激后）与M-value的关联性，甚至超过了其他任何胰岛素敏感性指标。这再次强调，我们关注的重点应当是个体的胰岛素敏感性水平，而非仅仅是其是否被诊断为糖尿病。

胰岛素敏感性的“分子晴雨表”：关键蛋白质与通路

研究人员识别出了136种在禁食状态下与全身胰岛素敏感性显著相关的蛋白质。其中，热休克相关70 kDa蛋白2（heat-shock-related 70 kDa protein 2, HSPA2）与胰岛素敏感性呈强烈负相关，而D-β-羟丁酸脱氢酶（D-beta-hydroxybutyrate dehydrogenase, BDH1）则呈强烈正相关。这些发现也在独立验证队列中得到了高度一致的证实，方向性保守性高达89%。

有趣的是，尽管2型糖尿病和正常葡萄糖耐量个体之间存在代谢差异，但在离散比较中，只有15种蛋白质在两组之间存在显著差异。这进一步说明，胰岛素抵抗的生物学基础更多地体现在连续变化的分子图景中，而非简单的“患病”与“健康”标签。

那么，这些蛋白质与胰岛素抵抗有何关联呢？

“能量工厂”的效率：与胰岛素敏感性呈正相关的蛋白质，主要参与了氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）和脂肪酸降解（fatty acid degradation）等代谢通路。这些通路的功能障碍，长期以来被认为是胰岛素抵抗和2型糖尿病的典型特征。

“垃圾处理”的异常：相反，与胰岛素敏感性呈负相关的蛋白质，则主要参与了蛋白酶体（proteasome）和泛素介导的蛋白水解（ubiquitin-mediated proteolysis）等过程，以及Wnt信号（Wnt signaling）和肾上腺素能信号（adrenergic signaling）通路。这暗示蛋白质降解/周转的改变，可能也参与了胰岛素抵抗的发生发展，而这些领域以往研究相对较少。

线粒体：数量不重要，质量和协作才关键？

线粒体（mitochondria）作为细胞的“能量工厂”，其在2型糖尿病中的作用一直备受争议。这项研究发现，尽管2型糖尿病患者和正常葡萄糖耐量（NGT）个体之间，线粒体蛋白质的总丰度没有显著差异，但线粒体蛋白质的总丰度与胰岛素敏感性高度相关。这意味着2型糖尿病本身并非线粒体数量的固有缺陷，而线粒体的丰度更多地反映了胰岛素敏感性水平。

更深入地，当调整了线粒体总丰度的影响后，ATP合成酶复合物（ATP-synthase complex，线粒体电子传递链的复合体V）与胰岛素敏感性表现出最强的正相关性。这提示我们，关注线粒体内部复合体的协作和效率，可能比仅仅关注其总量更有意义。

代谢“开关”的动态：乳酸与糖酵解/氧化磷酸化之舞

乳酸（lactate）是糖酵解（glycolytic metabolism）和氧化代谢（oxidative metabolism）之间转换的重要中间产物。研究发现，乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）的两种亚型——LDHA和LDHB，在不同诊断组之间呈现相反的调控模式，且与胰岛素敏感性呈相反关联。LDHA倾向于产生乳酸，促进糖酵解；而LDHB则倾向于将丙酮酸转化为乳酸，促进氧化代谢。

更重要的是，LDHA/LDHB的比例与胰岛素敏感性密切相关。随着胰岛素敏感性的提高，氧化磷酸化相关蛋白质的丰度从7%增加到10%，而糖酵解相关蛋白质的比例则相应减少。这表明，在胰岛素敏感性增加时，骨骼肌的代谢模式会从依赖糖酵解向更高效的氧化代谢转变。糖酵解/氧化代谢蛋白质的比例，与胰岛素敏感性呈负相关，进一步强调了代谢蛋白质结构在不同代谢阶段的显著差异。

信号的“涟漪”与“激流”：胰岛素刺激下的动态响应

胰岛素信号传导（insulin signaling）是细胞代谢和合成反应的指挥官。研究团队不仅关注了禁食状态下的分子图谱，还深入分析了胰岛素刺激（insulin stimulation）后骨骼肌磷酸化蛋白质组的动态变化。

胰岛素抵抗的“核心矛盾”：部分信号通路正常，部分受损

研究发现，胰岛素刺激在30分钟内调控了243个磷酸化位点，包括许多经典的胰岛素信号蛋白，如TBC1D4 S341、AKT1S1 T246和TSC2 T1462。通过无偏倚的激酶富集分析（kinase-enrichment analysis），研究人员识别出胰岛素激活的激酶，包括PDK1、mTOR、AKT、SGK1、S6K和RSK。这些都是胰岛素信号通路中的关键节点。

然而，更引人深思的是，胰岛素刺激后的磷酸化位点与胰岛素敏感性之间的关联性表现出高度异质性。许多对胰岛素有显著响应的位点，与胰岛素敏感性并无明显关联。这意味着，即使在严重胰岛素抵抗的个体中，胰岛素信号通路中的某些组分仍然是完整或“保留”的。例如，AKT激酶（一种胰岛素信号的关键节点）及其下游底物（如GSK3B S9和TBC1D4 T642）的磷酸化，在胰岛素抵抗严重的个体中仍能被胰岛素有效激活，但它们与全身胰岛素敏感性的关联性却较差。这挑战了传统认知中胰岛素抵抗是全面信号缺陷的观点。

相反，mTOR的底物，如真核翻译起始因子4E结合蛋白1（EIF4EBP1 T70）和mTOR调节相关蛋白（RPTOR S863），与胰岛素敏感性高度相关，这暗示mTOR通路在胰岛素抵抗中的关键作用。

JNK-p38通路：胰岛素抵抗的“幕后推手”

通过对与胰岛素抵抗呈负相关磷酸化位点的激酶富集分析，研究人员发现c-Jun N-末端激酶（JNK）和p38家族激酶（p38 family kinases）的活性显著升高。尽管JNK-p38通路在炎症反应（inflammatory responses）和2型糖尿病发展中的作用已被广泛研究，但这项分析首次将其确定为异常骨骼肌胰岛素信号通路的主要驱动因素。

AMPKy3 S65：人类特有的“胰岛素敏感性开关”？

在禁食状态下，与胰岛素敏感性关联最强的磷酸化位点是AMPK调节γ亚基3（AMPKy3）上的S65位点。这个发现得到了验证队列的证实。S65位点位于AMPKy3的N-末端，令人惊奇的是，它似乎是人类特有的——在与人类亲缘关系最近的黑猩猩（Chimpanzee）中并未发现，而在猪（Sus scrofa）中则被一个天冬氨酸（D）取代，这可能形成了一种生化或物理上的磷酸化模拟。

那么，是谁给AMPKy3 S65磷酸化呢？通过序列分析和激酶预测，丝裂原活化蛋白激酶活化蛋白激酶2（MAPKAPK2）和CAMK2家族成员被确定为潜在的上游激酶。MAPKAPK2是p38激酶的直接下游靶点，参与调节细胞应激（cellular stress）和炎症反应。这一发现为胰岛素抵抗中p38/JNK激酶活性升高与AMPKy3 S65磷酸化增加之间建立了机械性联系。

为了进一步证实，研究人员使用了一种选择性MAPKAPK2抑制剂CC-99677处理原代人骨骼肌肌管（myotubes），结果显示AMPKy3 S65的磷酸化水平显著降低。此外，在肌管中沉默AMPKy3的表达，可以显著增强基础和胰岛素刺激下的葡萄糖向糖原（glycogen）的掺入，从而改善胰岛素作用。这表明AMPKy3在骨骼肌胰岛素敏感性的调节中发挥关键作用。由于AMPKy3主要在骨骼肌中表达，S65位点可能是一个潜在的、针对骨骼肌的胰岛素增敏剂药物靶点，有望减少对其他组织的副作用。

性别视角的“解锁”：代谢图谱的异同与启示

人类骨骼肌的代谢受多种因素影响，包括激素（hormonal）和遗传（genetic）因素。这项研究首次全面揭示了男性和女性骨骼肌分子图谱的显著差异。

身体的“阴阳”：代谢图谱的性别烙印

主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）清晰地显示，男性和女性在蛋白质组和磷酸化蛋白质组层面存在明显分离。具体而言，有110种蛋白质和343个磷酸化位点在男女之间存在差异表达，且这些差异在验证队列中高度保守，分别达到了92%和81%。

这些差异体现在许多代谢重要的蛋白质中，例如醛脱氢酶1A1（ALDH1A1）和二甲基精氨酸二甲氨基水解酶1（DDAH1），它们甚至是FDA批准药物的靶点。在底物处理酶方面也观察到系统性差异：

男性：葡萄糖代谢（glucose metabolism）和氧化磷酸化相关蛋白质更丰富。

女性：脂质摄取/储存（lipid uptake/storage）相关蛋白质含量更高，这与女性血浆游离脂肪酸（free fatty acids, FFAs）水平较高一致。

特殊磷酸化：多泛素-B（polyubiquitin-B, UBB）上的S57位点磷酸化在女性中显著升高，该位点与Parkin依赖性线粒体自噬（Parkin-dependent mitophagy）这一清除受损线粒体过程的关键事件相关。

X染色体：差异的“幕后主使”？

虽然男女间存在显著差异，但研究发现，只有一小部分性别特异性蛋白质和磷酸化蛋白质是由X染色体编码的。例如，3-羟酰基辅酶A脱氢酶2型（HSD17B10）在男性骨骼肌中表达更高，它在调节雄激素代谢（androgen metabolism）中发挥关键作用。这表明，男女之间的大多数分子差异可能更多地取决于常染色体基因（autosomal gene）和激素调节，而非X染色体的直接影响。

殊途同归：胰岛素抵抗的共同机制

尽管男性和女性在骨骼肌的蛋白质组和磷酸化蛋白质组方面存在显著差异，代谢图谱也各有侧重，但一个关键的发现是：绝大多数胰岛素响应性磷酸化位点对胰岛素的响应在男性和女性之间是可比的。更重要的是，性别并非影响蛋白质或磷酸化位点与胰岛素敏感性关联的显著修饰因素。例如，无论男性还是女性，氧化酶和糖酵解酶都与胰岛素敏感性高度相关，尽管它们在男女间的丰度存在差异。

这一发现至关重要：它表明，尽管男性和女性的骨骼肌代谢存在主要差异，但导致胰岛素抵抗的分子机制，在两性之间却是相似的。这为胰岛素抵抗的治疗提供了统一的生物学基础，未来可以开发针对共同机制的治疗策略。

个性化治疗的“黎明”：未来糖尿病的管理

这项开创性的研究，为我们深入理解胰岛素抵抗和2型糖尿病的分子病理学（pathophysiology）打开了新视野。

研究结果强烈呼应了当前医学界“精准医疗”的呼声。它清晰地表明，2型糖尿病的病理生理学并非“非黑即白”，而是一个连续的分子图景，个体间的巨大异质性不能被简单的诊断标签所掩盖。通过蛋白质组学技术，我们能够捕捉到这些精微的分子指纹，从而更准确地评估个体的胰岛素敏感性，这比仅仅关注血糖和糖化血红蛋白等宏观指标更具临床指导意义。

研究发现了许多与胰岛素敏感性密切相关的分子途径和关键蛋白，例如JNK-p38通路的激活和AMPKy3 S65磷酸化的异常。AMPKy3 S65作为一个独特的、在人类中保守的磷酸化位点，且其上游激酶MAPKAPK2已被确定，这使其成为未来开发骨骼肌特异性胰岛素增敏剂的极具前景的靶点，有望避免传统药物的全身性副作用。

一个核心的发现是，即使在严重的胰岛素抵抗状态下，胰岛素信号通路中的某些关键组分仍然是“保留”的，能够响应胰岛素刺激。这颠覆了以往胰岛素抵抗是胰岛素信号“全面崩溃”的传统观念，强调了胰岛素抵抗中“选择性”信号受损的复杂性。这意味着未来的治疗策略，可能不再是全面增强胰岛素信号，而是需要有选择性地靶向那些真正受损的、导致胰岛素抵抗的关键分支。

尽管男性和女性在骨骼肌的代谢模式和蛋白质图谱上存在显著差异，但胰岛素抵抗的潜在分子机制却惊人地相似。这一发现提醒我们在理解和治疗糖尿病时，既要考虑性别特异性对代谢表型的影响，也要认识到核心病理生理学机制的普适性，从而设计出更具包容性的治疗方案。

当然，这项研究也存在一定的局限性。例如，它揭示的是分子关联，而非直接的因果关系；尽管样本量超过120人，但仍无法完全涵盖2型糖尿病所有多样的表型。此外，遗传、生活方式等复杂因素在胰岛素抵抗中的作用也需更深入探究。

然而，可以肯定的是，这项研究为我们描绘了一幅前所未有的、精细的胰岛素抵抗分子图谱。它强调了将疾病异质性纳入2型糖尿病诊疗策略的必要性，并为开发以分子机制为导向的个性化治疗方案，指明了新的方向。

未来，我们期待能真正实现对糖尿病的“精准打击”，让每一位患者都能得到最适合自己的治疗，迈向更健康的未来！

参考文献

Kjærgaard J, Stocks B, Henderson J, Freemantle JB, Rizo-Roca D, Puglia M, Madrazo Montoya M, Andersson D, Bäckdahl J, Eriksson-Hogling D, Stidsen JV, Wierer M, Rasmussen S, Sakamoto K, Højlund K, Rydén M, Zierath JR, Krook A, Deshmukh AS. Personalized molecular signatures of insulin resistance and type 2 diabetes. Cell. 2025 May 21:S0092-8674(25)00515-X. doi: 10.1016/j.cell.2025.05.005. Epub ahead of print. PMID: 40436015.

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