Diabetul zaharat este o boală despre care se știe că există de mii de ani și care afectează aproximativ 6% din populație. Datorită prevalenței, cronicității și tendinței sale de a provoca leziuni ale organelor finale, diabetul și complicațiile sale generează în fiecare an costuri de îngrijire a sănătății de aproximativ 100 de miliarde de dolari în Statele Unite.

proteinelor

Majoritatea persoanelor cu diabet zaharat au diabet zaharat de tip 2 (T2DM). 1 Acești pacienți pot avea niveluri crescute, normale sau ușor scăzute de insulină. Au grade variabile de rezistență la insulină, în asociere cu incapacitatea celulei beta de a compensa această rezistență și nu sunt predispuse la cetoză în condiții bazale. Vârsta de debut a acestei boli este de obicei după vârsta de 40 de ani, dar apare adesea și la 20 sau 30 de ani, sau chiar la o vârstă mai mică. Majoritatea, dar nu toți, indivizii cu această formă de diabet sunt spânzurați. Mulți au, de asemenea, hipertensiune, hiperlipidemie, boli de inimă și boli vasculare periferice, prezentând așa-numitul sindrom dismetabolic. Mai mult, odată cu îmbătrânirea populației noastre și ca o consecință a stilului de viață sedentar, incidența T2DM va continua să crească.

În mod alarmant, T2DM afectează, de asemenea, persoanele mai tinere mai frecvent decât oricând, iar această progresie în segmentul tineresc al populației este independentă de un tip specific de diabet numit diabet cu debut de maturitate al tinerilor sau MODY. Astfel, MODY este distinct de T2DM și reprezintă, în schimb, un grup interesant de forme monogene de diabet în care modificările genetice specifice au fost clar delimitate (1).

O altă formă majoră de diabet zaharat este diabetul zaharat de tip 1 (T1DM). Acești pacienți au frecvent niveluri de insulină foarte scăzute sau nedetectabile, sunt dependenți de insulina exogenă pentru supraviețuire și sunt predispuși la cetoză. Debutul bolii apare de obicei înainte de vârsta de 20 de ani, dar poate apărea la orice vârstă. Această revizuire se va concentra asupra modificărilor moleculare din T2DM și asupra mai multor constatări ale liniilor celulare și ale modelelor animale de diabet care se bazează pe tehnologia bazată pe proteomică.

TIP 2 DIABET MELLITUS

T2DM se caracterizează prin homeostazie anormală a glucozei care duce la hiperglicemie, iar patogeneza sa pare să implice interacțiuni complexe între factorii genetici și de mediu. Mulți cred că defectul primar în T2DM este reprezentat de rezistența la insulină, care este deja prezentă în stadiul incipient al stării prediabetice. În timp ce inițial celula beta este capabilă să compenseze această rezistență, diabetul evident apare atunci când celulele beta se epuizează. Trebuie menționat, totuși, că o ipoteză alternativă sugerează că defectul primar în T2DM se datorează unei neregulări ușoare a mecanismelor secretoare de insulină care duce la diabet evident după suprapunerea secundară a rezistenței la insulină (2). Unele cazuri de diabet gestațional pot reprezenta într-adevăr o astfel de succesiune de evenimente.

Indiferent dacă defectul primar inițial se datorează rezistenței la insulină a disfuncției celulelor beta, este universal apreciat că T2DM este o boală poligenică complexă și eterogenă ale cărei cauze genetice exacte continuă să rămână evazive. Această complexitate este subliniată de realizarea că, pe lângă rezistența țesutului periferic la acțiunea insulinei și eșecul celulei beta de a depăși această rezistență, T2DM se caracterizează printr-o incapacitate variabilă a ficatului de a suprima în mod corespunzător eliberarea hepatică de glucoză și prin țesutul adipos. hormoni derivați și citokine care antagonizează acțiunea insulinei (Fig. 1).

Fiziopatologia T2DM. T2DM este o tulburare multi-genică cu patru zone majore de disfuncție. Semnul distinctiv al bolii recunoscute de multă vreme este rezistența periferică la acțiunea insulinei. Această rezistență apare într-un cadru de niveluri variabile ale disfuncției celulelor beta, ceea ce duce la o capacitate inadecvată de a elibera insulină ca răspuns la gradul de rezistență, coroborat cu eliberarea necorespunzătoare de glucoză hepatică în cadrul hiperglicemiei. Un contribuitor major la această rezistență este obezitatea viscerală și producția de adipocitokine care antagonizează acțiunea insulinei.

În teorie, rezistența la insulină poate apărea printr-o varietate de mecanisme (Fig. 2). Astfel, poate rezulta din defecte ale genei receptorului de insulină, care codifică un receptor de tirozin kinază transmembranar sau ca o consecință a defectelor post-receptor (3, 4). Mutațiile receptorilor de insulină sunt rare, iar ștergerile homozigote ale receptorului de insulină sunt extrem de rare, ducând la întârzierea creșterii intrauterine, hipoglicemie, eșecul de a prospera, un fenotip specific care a fost numit spiriduș și moarte în timpul copilăriei (5). Activarea receptorilor de insulină poate fi, de asemenea, blocată de anticorpii anti-receptor de insulină care pot apărea în anumite tulburări autoimune, cum ar fi lupusul eritematos sistemic (6, 7). În plus, anumiți hormoni antagonizează acțiunea insulinei care poate precipita diabetul la persoanele sensibile. Astfel, pacienții cu producție excesivă de cortizol (boala sau sindromul Cushing) sau pacienții care iau glucocorticoizi pot dezvolta rezistență la insulină și hiperglicemie. Un fenomen similar poate apărea la pacienții cu acromegalie ale căror niveluri ridicate de hormon de creștere antagonizează acțiunea insulinei.

Mecanisme de rezistență la insulină. Există numeroase mecanisme care contribuie la rezistența la insulină, dintre care unele sunt enumerate în această figură. Acestea includ modificări care sunt asociate cu T2DM, cum ar fi multe tipuri de defecte post-receptor în cascadele de semnalizare a insulinei, obezitatea și producția excesivă de citokine derivate din celulele adipoase (adipocitokine). În plus, modificările care nu sunt în general asociate cu T2DM includ defecte la nivelul receptorului de insulină, anticorpii anti-insulinici care sunt diferiți de anticorpii anti-insulinici și hormonii antagonici ai insulinei precum cortizolul.

T2DM ȘI SEMNALIZARE ALTERATĂ A INSULINEI

Reprezentarea schematică a semnalizării insulinei. Legarea insulinei (I) de subunitățile alfa extracelulare ale receptorului de insulină (IR) duce la activarea activității tirozin kinazei receptorului și la autofosforilarea resturilor specifice de tirozină pe subunitățile beta. Aceasta este urmată de fosforilarea proteinelor de semnalizare IRS și a altor substraturi, cum ar fi Shc. Cascada Shc-Grb2-SOS-Ras-Raf-proteină kinază activată (MAPK) kinază (MEK1/2) -MAPK a fost bine caracterizată în multe căi de semnalizare. IRS recrutează și activează PI 3-kinaza (PI3K), care activează kinaza-1 dependentă de fosfoinozidă (PDK1), PDK-2 și AKT. AKT, precum și izoformele PKC atipice (PKC) induc translocarea GLUT4 către membrana celulară, ducând astfel la absorbția crescută a glucozei. AKT poate îmbunătăți, de asemenea, sinteza proteinelor prin activarea țintei de rapamicină (TOR) și p70 rsk și sinteza glicogenului prin activarea glicogenului sintază kinază-3 (GSK3).

Defectele funcțiilor IRS-1 și/sau PI 3-kinază pot contribui la T2DM. De exemplu, au fost identificate mai multe polimorfisme silențioase și substituții de aminoacizi care apar în mod natural în IRS-1 (15). Deși două modificări ale IRS-1, o variantă G922R și o mutație T608R, au fost direct legate de acțiunea defectuoasă a insulinei (16, 17), nu este clar că expresia acestor proteine ​​IRS-1 modificate este relevantă clinic. Astfel, unele studii au raportat că varianta G922R este mai frecventă la pacienții cu T2DM (18), alții au raportat că nu este (19), iar alții au sugerat că această variantă poate fi mai răspândită la pacienții cu T2DM și insulină severă . rezistență (20). Rolul potențial al altor proteine ​​IRS în T2DM și al polimorfismelor PI 3-kinazei este mai puțin clar definit. Cu toate acestea, șoarecii knockout IRS-1 prezintă rezistență la insulină și intoleranță la glucoză (21), în timp ce șoarecii knockout IRS-2 dezvoltă diabet evident datorită unei scăderi semnificative a transportului glucozei stimulat de insulină coroborat cu o masă scăzută a celulelor beta (22). Mai mult, omologia dintre produsul genei ataxie-telangiectazie (AT) și PI 3-kinază și prevalența relativ ridicată a T2DM în AT, sugerează că perturbațiile funcției PI 3-kinazei pot avea un rol contribuabil la unii pacienți cu T2DM (23). ).

T2DM ȘI SEMNALIZAREA RECEPTORULUI NUCLEAR ALTERAT

Receptorii nucleari participă la reglarea multor procese celulare. Un grup de receptori nucleari care are un rol important în modularea metabolismului energetic este reprezentat de receptorii activați cu proliferatori peroxizomici (PPAR). Existența acestui grup de receptori a fost presupusă în urma observației de la începutul anilor 1960 că Clofibrate, un agent utilizat pentru tratarea hipertrigliceridemiei, induce proliferarea peroxizomilor la rozătoare (24). Receptorul care mediază acest efect a fost numit PPARalpha sau PPARα (25). Receptorii omologi includ PPARβ și PPARγ (25).

Receptorul PPARγ și, în mod specific, izoforma PPARγ2, pare să aibă un rol deosebit de important în diabet, deoarece modulează diferențierea adipocitelor și stocarea energiei de către adipocite (26). Mutațiile rare ale acestui receptor (P115Q) sunt asociate cu obezitatea, ca o consecință a câștigului constitutiv al funcției receptorului mutant (27). Cu toate acestea, consecințele pierderii mutațiilor funcționale (P12A) în izoforma PPARγ2 au fost controversate și au fost asociate atât cu scăderea adipozității, cât și cu sensibilitatea crescută la insulină (28), precum și cu obezitatea și rezistența la insulină (29). Indiferent de aceste observații, importanța PPARγ în reglarea homeostaziei glucozei este subliniată de utilitatea tiazolidinedionelor, un grup de medicamente care se leagă cu afinități variate la PPARγ, în controlul nivelului de glucoză din sânge la pacienții diabetici.

T2DM ȘI OBEZITATE

Aproximativ 80% dintre pacienții cu T2DM sunt obezi, iar obezitatea este asociată cu rezistența la insulină. Țesuturile adipoase induc rezistența la insulină printr-o varietate de mecanisme. Astfel, se știe că adipocitele eliberează acizi grași liberi care pot interfera direct cu semnalizarea eficientă a insulinei, parțial ca urmare a capacității lor de a stimula izoformele PKC (30). Acizii grași liberi au, de asemenea, capacitatea de a spori eliberarea necorespunzătoare a glucozei hepatice (31). Un vinovat major în ceea ce privește depozitele gratuite de acizi grași disponibili este reprezentat de obezitatea viscerală, deoarece lipoliza la acest loc este foarte eficientă și este mai rezistentă la efectele supresive ale insulinei decât la alte locuri adipoase (32).

Țesuturile adipoase sintetizează și eliberează mai multe adipocitokine. Cel mai important dintre aceștia este factorul alfa de necroză tumorală, care acționează pentru a induce o stare de rezistență la insulină prin reglarea descendentă a GLUT4 și creșterea eliberării de acizi grași liberi (33, 34). Rolurile potențiale ale rezistinei și leptinei în rezistența la insulină la om rămân a fi delimitate ferm. În schimb, adiponectina este o adipocitokină descoperită recent, care îmbunătățește sensibilitatea la insulină (35), iar nivelurile sale în circulație sunt scăzute în T2DM și în obezitate, implicând o relație de cauzalitate. În sprijinul acestei ipoteze, șoarecii cu deficit de adiponectină prezintă rezistență la insulină și diabet (36), în timp ce administrarea de adiponectină provoacă efecte de scădere a glucozei și ameliorează rezistența la insulină la șoareci (37). Doi receptori de adiponectină (AdipoR1 și AdipoR2) au fost recent clonați, oferind dovezi suplimentare pentru un rol important al adiponectinei în menținerea homeostaziei glucozei (38). În mod similar, citokinele antiinflamatorii interleukina-10 pot exercita efecte anti-diabetogene, întrucât nivelurile reduse ale acestei interleukine au fost corelate cu o tendință crescută pentru dezvoltarea sindromului dismetabolic la femei (39).

Obezitatea în sine, care este o tulburare de poligen care implică interacțiuni extinse genă-mediu, poate duce, de asemenea, la T2DM. Se știe de multă vreme că o rată metabolică redusă de odihnă este un factor de risc pentru obezitate (40). Deoarece receptorul β3-adrenergic este localizat în țesuturile adipoase, inclusiv grăsimea viscerală și pentru că a fost implicat în reglarea termogenezei și lipolizei (41), rolul său potențial în obezitate și T2DM a fost investigat. Studiile inițiale efectuate pe indienii Pima au indicat faptul că mutația W64R în receptorul β3-adrenergic a fost asociată cu debutul mai timpuriu al T2DM și o rată metabolică mai redusă (42). Studiile ulterioare au demonstrat că această mutație este, de asemenea, asociată cu capacitatea secretorie de insulină deficitară din celula beta (43), subliniind aspectele multiforme ale defectelor care duc la T2DM.

PROTEOMICĂ ȘI T2DM

Până în prezent, majoritatea studiilor privind diabetul utilizând o abordare proteomică au fost efectuate pe linii celulare și pe modele animale de diabet (48, 49), așa cum este discutat în secțiunea următoare. Cu toate acestea, ar trebui să fie posibilă realizarea profilării proteinelor într-o varietate de țesuturi și în ser de la pacienții cu T2DM (50). De exemplu, un procent foarte mic de pacienți cu T2DM prezintă un model matern de moștenire coroborat cu surditatea moștenită, ca o consecință a defectelor genetice mitocondriale (51). Deoarece este posibil să se realizeze profilarea cu un randament ridicat al proteomei mitocondriale (52), va fi important să se efectueze acest tip de analiză la pacienții cu T2DM și modificări mitocondriale.

O analiză recentă a proteomei mușchilor scheletici umani în controalele normale și la pacienții cu T2DM este ilustrativă a puterii proteomicii în a indica spre noi direcții (53). În acest studiu, opt potențiali markeri ai T2DM au fost identificați în mușchiul scheletic. În special, nivelurile a două proteine ​​care au un rol crucial în sinteza ATP s-au dovedit a fi scăzute la nivelul mușchilor derivați de la pacienții diabetici. Cu toate acestea, așa cum indică autorii, rămâne de stabilit dacă această reglare descendentă a creatin kinazei B și a subunității β ATP sintază reprezintă un defect primar în T2DM sau este consecința modificărilor induse de diabet.

LECȚII DIN LINII CELULARE ȘI MODELE DE DIABET DE ANIMALE

Au fost efectuate o serie de studii bazate pe proteomică pentru a elucida mecanismele de acțiune a insulinei și fiziopatologia rezistenței la insulină. Linia celulară fibroblastică de șoarece 3T3-L1 a fost investigată pe larg în această privință, în măsura în care se diferențiază rapid într-un fenotip adipocitar atunci când este tratat cu insulină. De exemplu, electroforeza bidimensională (2-D) pe gel a 32 de proteine ​​marcate cu P din celulele 3T3-L1, înainte și după imunoprecipitare cu un anticorp anti-calmodulin, a dezvăluit că insulina nu stimulează fosforilarea calmodulinei în condițiile în care stimulează fosforilarea altor proteine ​​(54). Mai mult, electroforeza gigantă pe 2D a gelului a delimitat o serie de proteine ​​celulare implicate în procesul de diferențiere a acestor celule (55). Cu toate acestea, niciuna dintre aceste proteine ​​nu a fost identificată în mod specific. Aceeași metodologie a fost utilizată pentru a demonstra că insulina a stimulat fosforilarea mai multor proteine ​​în celulele NIH 3T3 care exprimă un număr mare de receptori de insulină umană, implicând aceste proteine ​​ca substraturi pentru activitatea kinazică a receptorului (56). La fel ca în studiile anterioare, însă, niciuna dintre aceste proteine ​​nu a fost identificată.

Studiile cu modele animale de diabet au fost, de asemenea, instructive. Astfel, separarea proteinelor adipocite de șobolani Zucker slabi și obezi în vârstă de 7 săptămâni prin electroforeză pe gel 2-D urmată de densitometrie cu laser a relevat o scădere legată de obezitate a concentrației unei proteine ​​citosolice de 28 kDa în două țesuturi lipogene, ficat și grăsime albă, dar nu în mușchiul solei (57). Această proteină a fost identificată prin micro-secvențiere ca anhidrază carbonică III (CA III), iar activitatea sa a fost redusă și la obezitate (57). În măsura în care scăderea activității CA III a fost inversată după suprimarea hiperinsulinemiei de către toxina celulelor beta streptozotocină, autorii au sugerat că nivelurile CA III au fost scăzute de hiperinsulinemie. Același laborator a folosit, de asemenea, micro-secvențierea proteinelor pentru a detecta creșterea expresiei adipocite (dar nu hepatice) a piruvat carboxilazei în timpul progresiei către obezitate (58). Ei au sugerat că este legată de capacitatea lipogenică a adipocitelor obeze de șobolan Zucker și au demonstrat că nivelurile crescute de piruvat carboxilază au fost atenuate la șobolanii tratați cu streptozotocină, implicând astfel nivelurile ridicate de insulină în inducerea nivelurilor ridicate ale acestei enzime.

Alte studii au profitat de disponibilitatea agoniștilor PPAR pentru a evalua profilurile de exprimare a proteinelor în țesuturi specifice în diferite modele animale de obezitate sau diabet. De exemplu, agonistul PPARα WY14.643, care tinde să normalizeze atât nivelurile crescute ale trigliceridelor plasmatice, cât și hiperglicemia la șoarecii ob/ob, a fost demonstrat prin electroforeză 2-D de înaltă rezoluție pentru a regla 14 proteine ​​hepatice care au fost identificate prin spectrometria de masă să fie componente ale căii metabolismului peroxizomal al acizilor grași (59). În special, acil CoA oxidaza, peroxizomul enzimă bifuncțională și 3-cetoacil tiolaza au fost reglate în sus de WY14.643 (57). Împreună, aceste constatări indică faptul că WY14.643 induce beta-oxidarea acidului gras peroxizomal în ficatul acestor șoareci. Rosiglitazona, un agonist selectiv PPARγ, a indus modificări similare la șoarecii obezi, dar, spre deosebire de WY 14,643, a fost fără efect la șoarecii slabi (60).

Efectele Rosiglitazonei au fost, de asemenea, studiate la șoareci obezi C57BL/6J lep/lep prin comparație cu colegii slabi (61). Ca și în alte studii, acest agonist PPARγ a normalizat toleranța afectată a glucozei la șoarecii lep/lep, dar nu a avut niciun efect semnificativ asupra toleranței la glucoză la șoarecii slabi. Electroforeza 2-D de înaltă rezoluție a fost apoi utilizată pentru a analiza polipeptidele derivate din insulă pancreatice, urmate de analiza spectrometrică de masă a proteinelor exprimate diferențial. Modificări ale proteinelor care leagă actina au fost observate în proteinele insulelor de la șoarecii lep/lep, care pot contribui la funcția defectuoasă a celulelor insulelor (61). Mai mult, Rosiglitazona a crescut expresia carboxipeptidazei B atât la șoareci lepr/lep, cât și la șoareci normali, crescând posibilitatea ca aceasta să amelioreze și homeostazia glucozei prin îmbunătățirea procesării insulinei.

CONCLUZIE

Indiferent dacă un pacient are T2DM sau T1DM, obiectivul principal al tratamentului cu diabet este normalizarea nivelului glicemiei și prevenirea complicațiilor. Aplicarea proteomicii avansate în domeniul diabetului ar trebui să producă noi informații importante despre fiziopatologia bolii care ar putea fi utile pentru prevenirea și tratamentul diabetului, precum și să ofere noi abordări pentru prevenirea complicațiilor microvasculare și macrovasculare care sunt asociate cu această boală.

Note de subsol

Publicat, MCP Papers in Press, 7 iulie 2003, DOI 10.1074/mcp.R300005-MCP200

↵ 1 Abrevierile utilizate sunt: ​​T2DM, diabet zaharat tip 2; IRS, substrat al receptorului de insulină; PI 3-kinază, fosfatidilinozitol 3-kinază; GLUT4, transportor de glucoză 4; PKC, protein kinaza C; PPAR, receptor activat de proliferatorul peroxizomului; 2-D, bidimensional.

Costurile de publicare a acestui articol au fost suportate parțial prin plata taxelor de pagină. Prin urmare, acest articol trebuie marcat „publicitate” în conformitate cu 18 U.S.C. Secțiunea 1734 doar pentru a indica acest fapt.

    • Primit la 28 mai 2003.
    • Revizuirea a primit 7 iulie 2003.