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美国生理内分泌代谢杂志。2010年3月;298(3):E565–E576。
2009年12月8日在线发布。 数字对象标识:10.1152/ajpendo.00467.2009
预防性维修识别码:项目经理2838520
PMID:19996382

哺乳动物毛球族同源物3损害骨骼肌中的胰岛素作用:在葡萄糖诱导的胰岛素抵抗中的作用

摘要

毛球族同源物3(TRIB3)被发现抑制胰岛素刺激的Akt磷酸化并调节啮齿动物肝脏中的糖异生。目前,我们研究了TRIB3在骨骼肌胰岛素抵抗中的作用。对10例胰岛素敏感、10例胰岛素抵抗和10例未经治疗的2型糖尿病(T2DM)患者进行了高胰岛素-正葡萄糖钳夹的代谢特征研究,并进行了股外侧肌活检。还从啮齿类动物模型(包括链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠、,分贝/分贝小鼠和Zucker肥胖大鼠。最后,使用L6肌肉细胞检测葡萄糖对TRIB3的调节,并生成稳定的高表达TRIB3细胞系,以确定TRIB3诱导胰岛素抵抗的机制。我们发现1)T2DM患者骨骼肌TRIB3蛋白水平显著升高;2)肌肉TRIB3蛋白含量与葡萄糖处理率呈负相关,与空腹血糖呈正相关;)STZ糖尿病大鼠骨骼肌TRIB3蛋白水平升高,分贝/分贝小鼠和Zucker肥胖大鼠;4)肌肉细胞中稳定的TRIB3高表达阻断胰岛素刺激的葡萄糖转运和葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)移位,并损害胰岛素信号转导中Akt、ERK和胰岛素受体底物-1的磷酸化;5)TRIB3 mRNA和蛋白质水平因高糖浓度以及肌肉细胞中葡萄糖缺乏而增加。这些数据表明TRIB3诱导是人类胰岛素抵抗和糖尿病的一种新的分子机制。TRIB3作为一种营养传感器,可以调节糖尿病患者高血糖引起的胰岛素抵抗成分(即葡萄糖毒性)。

关键词:葡萄糖毒性、2型糖尿病、胰岛素信号传导

2型糖尿病的患病率(T2DM)在西方化国家迅速增长。虽然T2DM可能是遗传和环境因素共同作用的结果,但由于骨骼肌葡萄糖摄取刺激受损,T2DM的一个关键致病特征是胰岛素抵抗。

为了更全面地了解胰岛素抵抗,我们进行了cDNA微阵列研究,以系统地评估胰岛素敏感性(IS)和胰岛素抵抗(IR)人类骨骼肌中的差异基因表达(59,60). 这些分析确定了毛球族同源物3(TRIB3)作为T2DM患者中表达增加的基因。毛球族首先由Mata等人确定(31)2000年作为细菌细胞发育的调节器果蝇属(31).毛球族通过促进发育早期特定细胞周期调控因子的泛素化和蛋白酶体介导的降解,抑制有丝分裂并调节DNA损伤修复(17,31,46,49). 哺乳动物表达一个由三个基因组成的家族,即TRIB1、TRIB2和TRIB3,它们与毛球族这些家族成员的特征是在分子中心有一个与丝氨酸/苏氨酸激酶高度同源的变异激酶结构域(22). 然而,它们似乎缺乏催化活性的关键残基(例如,TRIB3中的DLKLRK与DLKPEN共识),并在共识ATP结合囊中包含高度分歧的一级结构,排除了ATP结合(21). 该结构与毛球族蛋白质作为假激酶。

的功能毛球族哺乳动物中的蛋白质尚不完全清楚。这个果蝇属TRIB3可以促进细胞对内质网应激的反应而死亡。人类TRIB3由相互作用的反式激活因子、激活转录因子4和C/EBP同源蛋白诱导,这些蛋白在某些肿瘤中过度表达(5,36,62). 关于代谢功能,一些研究(10,28,58)已证明TRIB3直接抑制肝脏中胰岛素介导的Akt磷酸化。在脂肪组织中,TRIB3通过与COP1 E3泛素连接酶的相互作用,促进泛素介导的速率限制酶乙酰辅酶A羧化酶的降解,从而抑制脂质合成(43). 然而,最近的两项研究对TRIB3在新陈代谢中的调节作用提出了质疑。伊内杰语(24)据报道,胰高血糖素、糖皮质激素和胰岛素对原代肝细胞内源性TRIB3 mRNA水平没有影响,尽管这些激素诱导了关键代谢基因,包括葡萄糖激酶和固醇调节因子1,并增强了Ser473以及Akt的Thr308。更引人注目的是,TRIB3无效小鼠(TRIB3协议−/−)在整体外观和身体成分上与野生型同窝幼崽基本相同,而血糖、胰岛素或血脂水平没有任何变化;葡萄糖或胰岛素耐受;或能量代谢(37). 这些差异的原因尚不清楚。

胰岛素通过信号转导途径刺激葡萄糖转运系统,该途径涉及胰岛素受体底物-1(IRS-1)的酪氨酸磷酸化、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的对接和激活、PI-3,4,5-三磷酸的产生以及蛋白激酶B(Akt,PKB/Akt)的磷酸化和激活。事实上,IR患者骨骼肌中的胰岛素作用缺陷包括导致Akt磷酸化降低的信号传导受损(2)以及葡萄糖转运装置固有的缺陷(13). 胰岛素和其他有丝分裂原诱导MAPK级联,控制ERK的活性。有趣的是,TRIB是有丝分裂原反应性的,当在HeLa细胞中过度表达时,似乎抑制MAPK信号(25)上皮细胞和巨噬细胞(52). 然而,TRIB3在骨骼肌MAPK信号传导中的作用尚不清楚。因此,我们研究了TRIB3水平对骨骼肌ERK信号的影响。以前已经证明内质网应激可以诱导TRIB3基因表达(36)并通过IRS-1的丝氨酸过度磷酸化损害胰岛素信号(38,39). IRS-1的丝氨酸-苏氨酸磷酸化是胰岛素信号转导负调控的主要机制。因此,我们还研究了TRIB3是否可以减少胰岛素介导的IRS-1磷酸化和葡萄糖转运的刺激。

在这里,我们报告了TRIB3在T2DM患者、链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠、,分贝/分贝小鼠和Zucker肥胖大鼠。我们还报道了一个人类队列,发现骨骼肌中TRIB3的蛋白表达与胰岛素刺激的葡萄糖处理率呈负相关,与空腹血糖水平呈高度正相关。此外,L6肌肉细胞中TRIB3的稳定过表达阻断了胰岛素刺激的Akt、ERK1/2和IRS-1磷酸化,并降低了胰岛素刺激葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)易位和葡萄糖转运的能力。此外,野生型L6心肌细胞中TRIB3的表达对环境葡萄糖浓度敏感,与正常葡萄糖浓度相比,高糖和缺糖都会增加TRIB3表达。我们的结果为人类骨骼肌中葡萄糖诱导的胰岛素抵抗机制提供了证据,该机制涉及TRIB3损害胰岛素反应性葡萄糖转运系统的能力。

材料和方法

人类受试者

我们研究了10名IS、10名血糖正常的IR和10名未经治疗的T2DM受试者。所有受试者均被平衡为门诊患者,接受含20%蛋白质、30%脂肪和50%碳水化合物热量的等热量饮食,为期3天。体重在至少3个月内保持稳定(±3%),研究对象均未进行定期锻炼。在研究之前,所有T2DM患者均接受饮食或磺脲类药物和/或二甲双胍治疗,但停止治疗至少3周,并进行门诊随访。然后,这些受试者作为住院患者被送入代谢病房。如前所述,通过股外侧肌经皮活检获得骨骼肌进行分析(60). 在另一天,使用3-h高胰岛素-正常血糖钳夹测量胰岛素敏感性。如前所述,通过双能X射线吸收仪扫描评估的瘦体重千克的最大葡萄糖处理率被标准化(60). 所有研究均在隔夜禁食后的吸收后状态下进行。研究对象的临床特征如所示表1所有志愿者都进行了正常的体检,并通过血液化学检查证实其肝、肾和甲状腺功能正常。没有一名受试者服用会影响新陈代谢或葡萄糖稳态的药物。所有研究志愿者都提供了书面知情同意书,研究得到了南卡罗来纳医科大学和伯明翰阿拉巴马大学机构审查委员会的批准。

表1。

本研究中人类受试者的人口学、人体测量和代谢特征

变量胰岛素敏感性正常血糖胰岛素抵抗正常血糖2型糖尿病
编号101010
年龄,年28.6 ± 1.733.8 ± 2.646.2 ± 4.0
性别6名男性,4名女性3男7女3男7女
比赛8名白人,2名黑人6名白人,3名黑人,1名西班牙裔6名白人,4名黑人
体重指数,kg/m224.4 ± 1.330.7 ± 1.9*30.1 ± 1.1*
葡萄糖,mg/dl85.9 ± 2.589.5 ± 1.9220.3 ± 20.2
胰岛素,μU/ml4.3 ± 0.510.8 ± 1.4*11.2 ± 1.6*
GDR/LBM,mg·kg−1·最小值−115.1 ± 0.310.8 ± 0.8*6.3 ± 0.7
甘油三酯,mg/dl89 ± 11112 ± 10174 ± 39*
高密度脂蛋白胆固醇,mg/dl44 ± 336 ± 335 ± 2*
总胆固醇,mg/dl176 ± 11168 ± 6184 ± 14
低密度脂蛋白胆固醇,mg/dl116 ± 9110 ± 6114 ± 11
VLDL胆固醇,mg/dl19 ± 222 ± 235 ± 8
仰卧收缩压,mmHg113 ± 3113 ± 5125 ± 5*
仰卧位舒张压,mmHg65 ± 264 ± 476 ± 2

数据为平均值±标准偏差。GDR/LBM是高胰岛素钳夹期间每瘦体重标准化的葡萄糖处理率,是胰岛素敏感性的一个度量。P(P)<0.05被认为具有统计学意义。

*与胰岛素敏感性受试者显著不同;
与胰岛素敏感和胰岛素抵抗受试者显著不同。

胰岛素抵抗的啮齿动物模型

所有动物研究均由伯明翰阿拉巴马大学动物护理和使用委员会批准。所有动物均保持在标准条件下:12小时光暗循环,22°C,自由饮水,标准啮齿动物饮食。

STZ治疗大鼠。

如前所述,将成年雄性(200–250 g)Wistar大鼠腹腔内注射单剂量链脲佐菌素(50 mg/kg体重,10 mM柠檬酸钠缓冲液,pH 4.5)(19). 控制动物只接受车辆缓冲。当使用血糖仪(Accu-check Advantage II血糖仪;Roche)测量的空腹血糖>250 mg/dl时,动物被视为糖尿病动物。

C57BL/6对照组和db/db小鼠。

实验采用15至16周龄雄性C57BL/6对照组和分贝/分贝来自Jackson Laboratories(马萨诸塞州巴尔港)的老鼠。

服用或不服用吡格列酮的Zucker肥胖大鼠。

Zucker肥胖大鼠和瘦雄性同窝大鼠(fa−/+或fa+/+)在8周龄时从Harlan Sprague Dawley(印第安纳波利斯)购买。将大鼠额外饲养3周,在此期间,一半的Zucker肥胖大鼠接受吡格列酮(10 mg·kg)治疗−1·天−1; 裁判。40). 记录每两周的食物摄入量和体重。

细胞培养

L6肌肉细胞来源于大鼠大腿肌肉组织,从ATCC(弗吉尼亚州马纳萨斯)获得,并按前述方法培养(60). L6成肌细胞稳定表达GLUT4(多伦多大学病童医院a.Klip博士赠送的一份礼物)myc公司表位(L6-GLUT4myc公司)如前所述保持在培养基中(57). 所有L6肌成肌细胞均保存在含有补充10%FBS(4.5 g/l)的DMEM的培养基中-谷氨酰胺、1.5 g/l碳酸氢钠、4.5 g/l葡萄糖、100 U/ml青霉素和100 mg/ml链霉素2大气温度为37°C。为了获得分化的L6肌管,在实验前将流后的L6成肌细胞在含有2%FBS的DMEM培养基中培养6天。

重组慢病毒和稳定慢病毒转导细胞系

野生型TRIB3由Kiss-Toth博士(英国谢菲尔德谢菲尔德大学)提供。慢病毒载体的构建和包装由ADV生物科学公司(亚利桑那州伯明翰)完成。简言之,TRIB3 cDNA中的终止密码子被删除,c-Myc公司在C端子处添加。将修改后的cDNA连接到慢载体(pHR-EF-IRES-Bla)中巴姆HI和Xho公司I位点,然后进行DNA测序确认。使用由相同启动子EF-1a通过IRES驱动的Blastistin来选择成功的转染剂。以vsv-g为包膜蛋白,转染293T细胞包装慢病毒。用于进一步实验的包装病毒的滴度范围为2–5×106IU/ml。为了建立稳定表达的细胞系,重组TRIB3或myc公司慢病毒载体被用来感染L6或L6-GLUT4myc公司细胞。转染后48小时,将细胞置于急变霉素选择(20μg/ml)下20天,获得稳定转染的克隆细胞系。

葡萄糖转运分析

这些实验如前所述进行(33). 测量基础和最大刺激葡萄糖转运速率L6-GLUT4myc公司在37°C下,在没有和存在100 nM胰岛素的情况下培养细胞30分钟,以测量基础和最大刺激葡萄糖转运率。通过用0.05 N NaOH溶解细胞,然后进行液体闪烁计数来测定细胞相关放射性。用Bradford法测定细胞总蛋白。

GLUT4myc易位分析

细胞内运动myc公司-通过抗体偶联比色法测量胰岛素刺激后标记到细胞表面的GLUT4。L6-过量4myc公司细胞用PBS清洗一次,然后在室温下用3%多聚甲醛在PBS中固定3min。通过在4°C下用1%甘氨酸在PBS中孵育10分钟,立即中和固定剂。然后,用10%的山羊血清和3%的BSA在4°C下用PBS中的BSA封闭细胞至少30分钟-c(c)-myc公司,9E10),然后以1:100的稀释度添加到培养物中,并在4°C下保持30分钟。在引入过氧化物酶偶联的兔抗鼠IgG(1:1000)之前,用PBS对细胞进行广泛清洗。在4°C下30分钟后,对细胞进行广泛清洗o个-盐酸苯二胺试剂(0.4 mg/mlo个-苯二胺二盐酸盐和0.4mg/ml尿素过氧化氢在0.05M磷酸盐/柠檬酸盐缓冲液中)在室温下加入到每个孔中10分钟。通过添加0.25 ml 3 N HCl停止反应。收集上清液,在492 nm处测量光吸收率,反映免疫反应细胞表面GLUT4的数量myc公司组内对照井未经一级抗体或一级和二级抗体治疗。表面GLUT4的测量myc公司从所有其他实验条件获得的值中减去对照井的值。

RNA制备和定量RT-PCR

组织样品立即冷冻液氮,粉碎,然后使用Trizol试剂提取总RNA(Invitrogen,Carlsbad,CA,)。使用安捷伦2100生物分析仪(安捷伦科技公司)评估RNA浓度和完整性。

对于定量RT-PCR,如前所述,RNA被反转录到cDNA中,并在MX3000装置上通过实时PCR进行扩增(Stratagene,La Jolla,CA)(60). 特异性寡核苷酸引物如下:人18S,5′-CGGCTACCACATCCAAGGAA公司-3′(5′-底漆)和5′-GCTGGA附件CGGCT-3′(3′-引物);人体TRIB3,5′-GTTCCACACATGCAGTTCCT公司-3′(5′-底漆),5′-TCTCCTTTGCTCACTCTGTACTC公司-3′(3′-底漆)。TRIB3 mRNA水平归一化为18S rRNA,结果表示为任意mRNA单位。扩增产物在2%琼脂糖凝胶上通过凝胶电泳进行常规检查,然后在紫外光下用0.05%溴化乙锭染色以确认DNA片段的大小和特异性。

抗体和免疫印迹分析

用于免疫印迹的抗体包括抗磷丝氨酸Akt(Ser473; 裁判。61)、抗总Akt、抗磷酸苏氨酸202和磷酸酪氨酸204 ERK1/2(Thr202/提尔204)、抗总ERK1/2和抗磷酸-AMPK-αThr172抗体(均来自马萨诸塞州贝弗利的细胞信号技术);抗磷酸酪氨酸IRS-1(Tyr612; Invitrogen);抗TRIB3(兔pAb;Calbiochem);和抗肌动蛋白(加州圣克鲁斯圣克鲁斯生物技术公司)。辣根过氧化物酶结合的抗兔和抗鼠二级抗体来自皮尔斯生物技术公司(伊利诺伊州罗克福德)。

通过免疫印迹法评估细胞裂解液中总蛋白和磷酸化蛋白的水平。在指定的时间点用或不用100 nM胰岛素处理细胞,然后用PBS洗涤两次。细胞或组织在含有50 mM Tris-HCl pH 7.5、150 mM NaCl、0.1%SDS、1%脱氧胆酸钠、1%NP-40、10 mM NaF、5 mM Na的缓冲液中溶解VO(旁白)4、2 mg/ml胃蛋白酶抑制素、2 mM PMSF、1 mM DTT、20μg/ml亮氨酸肽和10μg/ml抑肽酶。通过离心(16000在4°C下保持15分钟),并收集上清液。将这些裂解物(30μg蛋白质)的等分样品在100°C下加热10 min,通过SDS-PAGE进行溶解,并与TRIB3、磷酸化IRS-1(pIRS-1)、磷酸化Akt(pAkt)、总Akt、磷酸化ERK(pERK)、总ERK和磷酸化AMPK抗体反应。根据制造商的说明(Pierce),使用增强化学发光法检测免疫反应蛋白。对每个印迹进行多次曝光,以获得每个化学发光带的灰度图像,并使用Fluorchem FC成像系统(加州圣莱安德罗Alpha Innotech)进行量化。

其他分析

在人类中,使用葡萄糖分析仪(YSI 2300;俄亥俄州黄泉市黄泉仪器公司)通过葡萄糖氧化酶法测量血糖。使用电化学发光免疫分析法测量血清胰岛素水平(德国曼海姆罗氏诊断公司)。在我们的实验室中,胰岛素测定的平均组内变异系数为5%,组间变异系数为6%。标准的血浆临床化学分析包括脂质组(甘油三酯、总胆固醇、HDL胆固醇、LDL胆固醇和VLDL胆固醇;维托斯自动分析仪、强生公司)和血红蛋白A1c(生物红细胞血红蛋白分析仪)。

在啮齿类动物中,使用Stanbio Sirrus自动分析仪(德克萨斯州博恩)测量葡萄糖和甘油三酯,使用葡萄糖氧化酶试剂和甘油磷酸氧化酶法测量甘油三酸酯。使用放射免疫分析试剂盒(密苏里州圣查尔斯市Linco Millipore)测量胰岛素。使用NEFA C试剂盒(Wako Chemicals,Richmond,VA)测量血浆游离脂肪酸。如制造商所述,NEFA组内变异系数为0.8%。

统计分析

数值表示为平均值±SE。使用Student’s-测试或方差分析(视情况而定)。采用Spearman相关系数检验TRIB3蛋白水平、空腹血糖、血糖处置率、舒张压和血脂测量之间的相关性。所有计算均使用PRISM第4版(加利福尼亚州圣地亚哥GraphPad)和SAS统计软件(北卡罗来纳州卡里SAS研究所8.02版)进行。显著性阈值设置为P(P)< 0.05.

结果

TRIB3的组织特异性表达模式

为了评估TRIB3的组织特异性表达,我们对17个人体组织进行了实时RT-PCR分析。如所示图1TRIB3在肝脏中表达水平最高的大多数组织中均可检测到。我们还观察到其他胰岛素靶组织中容易检测到的表达,如脂肪组织、骨骼肌和心肌。

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实时RT-PCR分析毛球族脂肪组织中同源物3(TRIB3)mRNA水平(n个=5),附录(n个=2),动脉(n个=7),膀胱(n个=4),冒号(n个=10),食道(n个=8),胆囊(n个=5),心脏(n个=8),肝脏(n个=5),肺(n个=10),淋巴结(n个=5),骨骼肌(n个=9),小肠(n个=8),脾脏(n个=2),胃(n个=8)和气管(n个=5)。数据为平均值±SE。

TRIB3在人骨骼肌中的表达

为了确定人类胰岛素抵抗时骨骼肌中TRIB3的表达是否发生改变,我们研究了IS、血糖正常IR和未治疗T2DM患者的亚组。通过高胰岛素-正常血糖钳夹定量胰岛素敏感性,并根据瘦体重(LBM)标准化最大刺激葡萄糖处理率(GDR)。如所示表1胰岛素抵抗组(IR和T2DM)的体重指数和空腹血清胰岛素显著高于IS组,GDR显著低于IS组。IR和T2DM患者骨骼肌中TRIB3 mRNA的水平似乎高于IS患者,但差异无统计学意义(图2A类). 然而,与IS患者相比,T2DM患者的肌肉TRIB3蛋白水平显著增加(约2倍),如图所示图2B类IR组TRIB3蛋白水平介于IS和T2DM之间,与IS或T2DM相比无统计学意义。我们还测量了同一人体骨骼肌样品中总ERK和肌动蛋白的蛋白质水平,未观察到任何变化(数据未显示)。因此,总ERK被用作免疫印迹的凝胶负荷控制。

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A类:实时RT-PCR分析从胰岛素敏感(IS)和胰岛素抵抗(IR)受试者以及2型糖尿病(T2DM)患者收集的人类骨骼肌中TRIB3 mRNA水平。B类:来自IS的人类骨骼肌中TRIB3蛋白水平(n个=10),红外(n个=10)和T2DM(n个=10)受试者。通过Western blotting检测TRIB3蛋白并通过密度测定法进行定量。数据为平均值±SE*P(P)< 0.05.

由于胰岛素敏感性是一个连续变量,我们将所有受试者的肌肉TRIB3蛋白含量值与GDR/LBM相关联,以进一步评估TRIB3与胰岛素抵抗之间的关系,并且我们观察到具有统计学意义的反向关系(第页2= −0.35;P(P)< 0.05). 如所示图3,随着个体变得更具胰岛素抵抗(即GDR/LBM值下降),肌肉TRIB3逐渐增加。此外,肌肉TRIB3蛋白水平也与空腹血糖显著相关(第页= 0.57;P(P)<0.001),但我们未发现TRIB3蛋白水平与体重指数或腰围之间存在任何显著相关性(数据未显示)。当使用逐步多元回归模型来确定空腹血糖或GDR/LBM是否更能预测TRIB3蛋白水平时,GDR/LMB退出模型,而空腹血糖仍然是一个很强的预测因子(P(P)= 0.01).

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肌肉TRIB3蛋白表达与空腹血糖的关系(顶部)和以瘦体重(GDR/LBM)标准化的葡萄糖处理率作为胰岛素敏感性的测量(底部). 免疫印迹法测定TRIB3蛋白水平。数据基于对广泛胰岛素敏感性个体的研究,包括IS、IR和T2DM受试者的亚组。相关系数(第页)和P(P)每个图都显示了值。

肌肉TRIB3在胰岛素抵抗啮齿动物模型中的表达

为了确定胰岛素抵抗和糖尿病啮齿类动物模型中肌肉TRIB3的表达是否发生改变,我们首先通过Western blot定量了从对照组和STZ治疗的糖尿病大鼠骨骼肌中收集的TRIB3水平。与对照动物相比,STZ诱导的糖尿病大鼠的平均TRIB3蛋白水平显著增加(约3倍)(图4). 骨骼肌TRIB3水平在分贝/分贝老鼠。与精益控制相比,数据库/数据库小鼠更肥胖(分别为29±1 vs.48±2 g)和高血糖(空腹血糖分别为6.2±0.4 vs.22.5±1.9 mM),TRIB3的肌肉蛋白含量增加了约三倍,如图所示图5最后,与瘦肉对照组相比,12周龄Zucker肥胖大鼠仅出现轻度高血糖,空腹胰岛素、游离脂肪酸和甘油三酯显著升高。此外,与未经治疗的Zucker肥胖大鼠相比,对Zucker脂肪大鼠进行为期3周的吡格列酮治疗可显著降低空腹血糖、胰岛素、游离脂肪酸和甘油三酯,如图6与瘦肉对照组相比,胰岛素抵抗的Zucker肥胖大鼠腓肠肌TRIB3蛋白水平显著增加(55%)(P(P)< 0.05). 与未经治疗的Zucker肥胖大鼠相比,吡格列酮治疗使Zucker脂肪大鼠的TRIB3水平降低了10%,但这种差异没有达到统计学意义。我们还检测了这些动物肝脏中TRIB3的水平。我们发现,与瘦对照组相比,胰岛素抵抗的Zucker脂肪大鼠肝脏中的TRIB3蛋白水平显著升高(63%)(P(P)< 0.05). 与未经治疗的Zucker肥胖大鼠相比,吡格列酮治疗导致肝脏TRIB3蛋白减少30%,这与瘦对照组的水平没有显著差异(数据未显示)。

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对照大鼠骨骼肌TRIB3蛋白表达水平(n个=5)和链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠(n个=5)通过Western blotting测定。结果通过密度计进行量化,数据为平均值±SE*P(P)< 0.05.

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A类:瘦对照小鼠的平均体重和空腹血糖水平(n个=3)和3分贝/分贝老鼠(n个= 3).B类:瘦对照小鼠骨骼肌中TRIB3蛋白水平(n个=3)和来自分贝/分贝老鼠(n个=3)通过Western blotting测定。结果通过密度计进行量化,数据为平均值±SE*P(P)< 0.05.

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A类:使用或不使用吡格列酮治疗的瘦对照大鼠(白色条)和Zucker肥胖大鼠(灰色条)的血糖和血清甘油三酯浓度。数据为平均值±SE*P(P)<0.05,与瘦肉对照组相比;P(P)与未经吡格列酮治疗的Zucker脂肪大鼠相比,<0.05。n个=6/组。B类:用吡格列酮治疗的瘦对照(白条)和Zucker肥胖大鼠的血清游离脂肪酸(FFA)和胰岛素浓度。数据为平均值±SE*P(P)<0.05,与精益控制相比P(P)与未经吡格列酮治疗的Zucker脂肪大鼠相比,<0.05。n个=6/组。C类:TRIB3蛋白在瘦鼠骨骼肌中的表达(n个=6)和未经吡格列酮治疗的Zucker肥胖大鼠(n个=6)和吡格列酮治疗(n个=6)通过Western blotting测定。结果通过密度计进行量化,数据为平均值±SE*P(P)< 0.05.

TRIB3对胰岛素刺激葡萄糖转运活性和GLUT4转运的影响

为了研究人类肌肉TRIB3表达增加和GDR降低之间的关联机制,我们测试了TRIB3是否可以调节胰岛素刺激的葡萄糖转运活性。控制L6-GLUT4myc公司胰岛素治疗后,细胞的葡萄糖摄取量增加了2.3倍。相反,TRIB3过度表达完全阻断胰岛素刺激的葡萄糖摄取,而对基础转运率没有影响(图7A类).

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A类:L6-GLUT4中的基础(开杆)和最大胰岛素刺激(实心杆)葡萄糖转运率myc公司用慢病毒稳定转导的细胞myc公司表达载体作为对照或与慢病毒TRIB3表达载体结合。数据是3个单独实验的平均值±SE。2-DG,2-脱氧-d日-葡萄糖*P(P)< 0.05.B类:细胞表面GLUT4的定量分析myc公司无论是否接受胰岛素治疗。开条表示基础条件下(未经胰岛素治疗)的细胞表面葡萄糖转运蛋白4(GLUT4);实心条代表胰岛素刺激的GLUT4易位到细胞表面。数据是3个单独实验的平均值±SE*P(P)< 0.05.

胰岛素刺激的葡萄糖摄取是通过GLUT4葡萄糖转运体从细胞间室到质膜的移位介导的(7,51). 表面GLUT4通过免疫荧光检测myc公司GLUT4分子第一外表面环上引入的表位(56). 如所示图7B类TRIB3在不影响对照细胞基底细胞表面GLUT4的情况下,消除了GLUT4对胰岛素反应的细胞表面增加。这与我们的发现一致,即TRIB3阻断了胰岛素刺激的葡萄糖转运,而不是基础的葡萄糖转运。

TRIB3在胰岛素信号转导中的作用

接下来,我们通过测量胰岛素磷酸化IRS-1、Akt和ERK的能力来检测TRIB3是否会损害胰岛素信号。使用TRIB3或ERK的慢病毒表达载体稳定地转导L6细胞myc公司然后用胰岛素刺激。如所示图8,A类C类胰岛素增强对照细胞IRS-1、Akt和ERK的磷酸化;然而,这些作用在TRIB3过度表达的细胞中显著减弱。在这些实验条件下,总免疫反应性IRS-1、Akt和ERK没有改变。与基础对照细胞中的ERK磷酸化相比,在基础条件下(即缺乏胰岛素),TRIB3的过表达导致ERK磷酸化增加,尽管这种增加在统计学上并不显著。在使用短暂过度表达TRIB3的质粒载体细胞进行的短暂转染实验中,也观察到了这些效应,持续时间较短,例如6或24小时(数据未显示)。

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A类:TRIB3高表达对胰岛素诱导L6肌肉细胞Akt磷酸化的影响。用慢病毒构建物稳定转染L6细胞,以实现myc公司作为对照组或TRIB3,然后用(+)或不使用(−)10 nM胰岛素治疗45分钟。通过Western blotting测量pAkt和总Akt。B类:TRIB3高表达对胰岛素诱导L6肌肉细胞ERK磷酸化的影响。C类:TRIB3高表达对L6肌肉细胞中胰岛素诱导的胰岛素受体底物-1(IRS-1)磷酸化的影响。显示了具有代表性的斑点,数据是3个单独实验的平均值±SE*P(P)< 0.05.

最后,为了证实胰岛素作用的改变不是由于TRIB3过度表达对细胞活力和/或分化的非特异性影响,L6细胞和L6-GLUT4myc公司稳定感染的细胞myc公司-流式细胞术分析TRIB3表达载体。我们的结果表明,TRIB3并没有显著改变G区的细胞数量1、S和G2/在稳定的L6或L6-GLUT4中,细胞周期的M期或凋亡增加myc公司单元格(未显示数据)。

葡萄糖对L6肌细胞TRIB3表达的影响

与IS受试者相比,T2DM受试者的人体肌肉TRIB3水平升高,但非糖尿病IR受试者没有升高,因为TRIB3与空腹血糖水平呈正相关,我们假设TRIB3可能由高血糖诱导,并导致糖尿病患者的胰岛素抵抗。为了探索这种可能性,我们首先检查TRIB3是否是一个葡萄糖反应基因。我们将完全分化的野生型L6肌管暴露在不同介质葡萄糖浓度(0-15 mM)下16-18 h,并在mRNA和蛋白质水平上测量TRIB3的表达。结果总结如下图9,A类B类在生理葡萄糖范围内(5 mM),TRIB3的表达水平最低,而随着葡萄糖浓度增加到10–15 mM,TRIB的表达显著增加了5.3倍,并且随着葡萄糖浓度降低(0–2.5 mM)也逐渐增加。观察到TRIB3 mRNA和蛋白质的这些变化。为了排除TRIB3 mRNA和蛋白表达的增加是由于介质中渗透压差异的可能性,我们证明-相同浓度的葡萄糖对TRIB3的表达没有任何显著影响(图9C类). 此外,为了证实我们的系统对这些细胞中的葡萄糖有适当的反应,我们分析了AMPK的表达,AMPK是一种重要的营养传感器,在葡萄糖缺乏的情况下,通过细胞AMP-ATP比率的增加和ATP耗竭而激活(18,66). 在存在不同培养基葡萄糖浓度(0–15 mM)的培养L6细胞中,我们发现在暴露于0 mM葡萄糖的细胞中激活的磷酸-AMPK水平最高,在培养于5 mM葡萄糖中的细胞中较低,在15 mM葡萄糖下检测不到(图9C类).

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TRIB3 mRNA水平的变化(A类)和TRIB3蛋白水平(B类)L6肌管对不同的d日-葡萄糖培养基浓度(0、2.5、5、10和15mM)。mRNA用实时RT-PCR测定,蛋白质用Western blotting分析并用密度计定量。显示了具有代表性的印迹,数据是3个单独实验的平均值±SE。C类:L6肌管中的pAMPK蛋白水平对不同d日-葡萄糖浓度(0、5和15 mM)和-葡萄糖(15 mM)。显示了具有代表性的印迹,数据是3个单独实验的平均值±SE*P(P)< 0.05.

讨论

在本研究中,我们研究了TRIB3在胰岛素作用和骨骼肌底物代谢中的作用。我们首次发现,与血糖正常的IS患者相比,T2DM患者骨骼肌中TRIB3蛋白水平升高。此外,人类肌肉中TRIB3的表达与胰岛素刺激的GDR/LBM(即胰岛素敏感性)呈负相关,这种关系可以用空腹血糖水平的正相关来解释,空腹血糖在胰岛素抵抗的T2DM患者中升高。这些结果与我们在啮齿类动物中的发现相类似,STZ诱导的糖尿病大鼠和高血糖大鼠的肌肉TRIB3水平显著升高分贝/分贝在轻度高血糖的Zucker肥胖大鼠中升高。

导致T2DM患者胰岛素抵抗和胰岛素分泌受损的缺陷在血糖治疗正常化一段时间(~2~3周)后部分可逆(14). 这些研究表明,T2DM患者的胰岛素抵抗既包括可通过强化血糖控制纠正的可逆成分,也包括可提前糖尿病前期和代谢综合征患者糖尿病发展的不可逆成分(12). 这些观察结果,再加上葡萄糖浓度升高可以重现培养细胞系统和啮齿类动物模型中的这些缺陷,产生了葡萄糖诱导胰岛素抵抗或“葡萄糖毒性”的概念(,12,29). 我们的数据表明,TRIB3可能导致伴随高血糖的胰岛素抵抗恶化。这些观察结果包括1)肌肉TRIB3水平仅在显性高血糖的T2DM患者中显著升高,而在胰岛素抵抗的非糖尿病患者中无显著升高;2)在联合研究队列中,肌肉TRIB3水平与空腹血糖和GDR相关,这些关系是由胰岛素抵抗最严重的T2DM患者的肌肉TRIB水平升高所驱动的;)无论动物是否为低胰岛素血症(大鼠STZ诱导糖尿病)、高胰岛素血症(分贝/分贝小鼠)或中度高血糖(Zucker肥胖大鼠)和吡格列酮治疗均降低了肝脏和肌肉中的空腹血糖和TRIB3蛋白水平,尽管其降低没有达到统计学意义;4)TRIB3表达是葡萄糖反应性的。在L6肌管中,TRIB3 mRNA和蛋白质水平在5 mM葡萄糖存在下均处于最低水平,但随着培养基葡萄糖浓度增加到15 mM,TRIB mRNA和蛋白水平显著增加了5.3倍。有趣的是,TRIB2水平也因葡萄糖剥夺(≤2.5 mM)而显著升高。这表明TRIB3的表达参与了在高血糖和葡萄糖剥夺的病理生理条件下起作用的营养敏感机制。因此,根据综合当前数据的权重,我们认为TRIB3有助于糖尿病胰岛素抵抗的可逆成分,而胰岛素抵抗可归因于高血糖或葡萄糖毒性。

我们进一步确定TRIB3是否影响胰岛素刺激的葡萄糖转运。TRIB3在稳定转导的L6-GLUT4中的高表达myc公司肌肉细胞剥夺了胰岛素刺激葡萄糖转运活动的能力。我们进一步证明,这种效应是由于GLUT4转运体对胰岛素的反应而受损的易位所致。胰岛素介导的GLUT4易位减少的一个可能解释是TRIB3可能损害胰岛素信号转导。事实上,TRIB3的高表达降低了L6肌肉细胞中的Akt、ERK和IRS-1磷酸化。我们关于Akt磷酸化的研究结果与之前3T3-L1脂肪细胞的研究一致(4),软骨细胞(6)和肝细胞(10,58). 此外,高果糖饮食显著增加TRIB3并显著降低磷酸化Akt(Ser473)在大鼠脂肪组织中(4). Koh等人之前的一份报告(27)也证明TRIB3在C2C类12肌肉细胞通过减少Akt磷酸化导致胰岛素信号受损。有趣的是,我们的数据进一步证明,TRIB3的过度表达下调了胰岛素刺激的ERK和IRS-1的磷酸化,表明TRIB3对信号转导的负调节作用可能超出对Akt本身的影响。因此,TRIB3已被证明抑制胰岛素诱导的S6K1活化和蛋白质合成(32)糖原合成酶激酶3(GSK3;参考文献。20). 因此,TRIB3可以在Akt的上游和下游发挥作用,并控制胰岛素信号转导和营养感应中涉及的各种因素(即对IRS-1、S6K1和GSK3的影响)。

先前使用肌肉细胞以外的系统进行的几项研究也报道了TRIBs在调节ERK激活中的作用(53). 在糖尿病心肌病中,晚期糖基化终产物通过激活ERK1/2和p38-MAPK导致胶原沉积。用小干扰RNA抑制TRIB3后,晚期糖基化终产物对ERK1/2和p38-MAPK的磷酸化作用减弱(54). TRIB3蛋白似乎是MAPK活性的激活剂和抑制剂,这取决于细胞中TRIB3与MAPKK的比率。在哺乳动物细胞中,相对低水平的TRIB3可以激活MAPK磷酸化,尤其是ERK1/2磷酸化(25,26). 有趣的是,在我们的实验中,TRIB3的过度表达降低了肌肉细胞中胰岛素刺激的ERK1/2磷酸化,但在基本条件下增加了ERK1/2的磷酸化。这可能是由于TRIB3对内质网应激的影响,因为内源性ERK的激活通过抵抗内质网胁迫诱导的细胞死亡信号在控制细胞存活中起着关键作用(8,11,23). 我们还发现,肌肉细胞中TRIB3过度表达导致胰岛素刺激的IRS-1磷酸化降低。与此相一致,TRIB3已被证明以PI3K依赖的方式对前列腺癌细胞和肝细胞的营养缺乏作出反应(32,48). 然而,Andreozzi等人(1)此前有报道称,在自然携带TRIB3 R84Q功能获得突变的人类细胞中,胰岛素介导的IRS-1和PI3K激活没有变化。这种差异可能是由于使用了不同的细胞系和不同的分析系统。Andreozzi等人使用原代培养的人脐静脉内皮细胞,而在当前研究中对大鼠肌肉L6细胞进行了研究。最重要的是,Andreozzi等人研究了TRIB3 R84变体对内皮胰岛素对一氧化氮生成的影响。我们研究了胰岛素对骨骼肌葡萄糖摄取的作用。然而,我们的研究与Andreozzi的研究之间的明显差异并不令人惊讶,因为TRIB3已被证明根据细胞环境在几种途径中具有不同的功能作用(9).

在大鼠胰腺β细胞中,高糖治疗导致TRIB3的高表达,TRIB3过度表达模拟了对胰岛素分泌和细胞生长的糖毒性作用(44). 这与我们的发现一致,即TRIB3是一种葡萄糖反应基因,可以损害肌肉中的胰岛素作用。先前的研究表明,长期接触高糖会损害葡萄糖转运蛋白的易位(15)减少Akt磷酸化(35,45). 我们的数据支持这样一种观点,即这些效应可以通过增加TRIB3的表达来介导,至少部分可以。我们的结果与Yacoub Wasef等人的结果不一致(63)报告称,与在5 mM葡萄糖下观察到的TRIB3 mRNA表达相比,在25 mM葡萄糖中孵育L6肌管过夜降低了TRIB3的mRNA表达。这种差异的原因尚不清楚。然而,与Yacoub Wasef的研究一致,我们观察到,随着葡萄糖消耗,的mRNA和蛋白表达显著增加。TRIB3的双峰反应可以通过不同的机制来解释,以增加低和高葡萄糖浓度下的表达。另一方面,TRIB3作为一种营养敏感基因可能与O(运行)-链接的N个-乙酰葡萄糖胺(O(运行)-GlcNAc)修饰,因为蛋白质可以表现出增加O(运行)-葡萄糖剥夺和高糖条件下的GlcNAc修饰(55).O(运行)-已知GlcNAcylation会影响多种代谢途径,并特别被认为是胰岛素抵抗和T2DM的促因(30,34).

在大鼠中,高果糖摄入会导致胰岛素抵抗和代谢综合征(47)并已观察到增加脂肪组织中TRIB3 mRNA的水平(4). 此外,TRIB3 mRNA与通过公式稳态模型评估计算的胰岛素抵抗呈正相关(HOMA-IR;参考文献。4). 宫内暴露于乙醇的成年大鼠易患糖尿病,这也与骨骼肌和肝脏中TRIB3升高有关(20,64,65). 在人类中,TRIB3获得功能Q84R多态性与胰岛素抵抗和糖尿病相关(41,50)、早发T2DM和颈动脉粥样硬化易感性(16,42).

总之,我们的结果表明,TRIB3蛋白在T2DM患者骨骼肌中的表达增加,并且TRIB3可以损害胰岛素信号、葡萄糖转运刺激和肌肉细胞中GLUT4移位。此外,环境葡萄糖水平,包括高葡萄糖和低葡萄糖,在体外调节肌肉细胞中TRIB3的表达,并且TRIB3与人类骨骼肌中的空腹葡萄糖相关。因此,我们认为,TRIB3因高血糖而上调可以解释糖尿病胰岛素抵抗的组成部分,该组成部分可归因于高血糖状态(即葡萄糖毒性)。这些观察结果表明,TRIB3是一种营养传感器,可以在高糖和缺糖条件下调节细胞应激反应。TRIB3诱导为人类胰岛素抵抗提供了一种新的机制,也是药物改善糖尿病胰岛素抵抗的潜在途径。

赠款

这项工作得到了国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所拨款DK-038764、DK-083562和DK-62071以及国家心脏、肺和血液研究所拨款HL-055782、美国心脏协会开始拨款(给X.Wu)、国防部(W81XWH-0510387)、,以及退伍军人事务部的功绩审查计划(致W.T.Garvey和J.L.Messina)。我们还感谢阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)临床与转化科学中心(UL1 RR025777)、UAB临床营养研究室(P30-DK56336)和UAB糖尿病研究与培训中心(P60-DK079626)的支持。

披露

作者未声明任何利益冲突。

致谢

我们感谢Cristina Lara-Castro博士提供的人体活检信息;John C.Chatham博士和Dan Shan博士的骨骼肌样本分贝/分贝老鼠和技术援助。我们还感谢我们的研究志愿者的参与。

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文章来自美国生理学杂志-内分泌和代谢由以下人员提供美国生理学会