Et nyopdaget molekylært signal - som kun findes hos mennesker - kan forklare, hvorfor nogle muskler holder op med at reagere på insulin, og det er et lovende spor i bekæmpelsen af type 2-diabetes.
Insulinresistens - når cellerne holder op med at reagere på insulins signal om at lagre glukose - driver den globale epidemi af type 2-diabetes, men der mangler stadig behandlinger, som er målrettet kroppens vigtigste glukoselager: musklerne. Der findes endnu ingen medicin, der retter sig mod insulinresistens i skeletmusklerne – trods deres centrale rolle i glukoselagring.
Forskere fra Københavns Universitet i Danmark, Karolinska Institutet i Stockholm, Sverige, og Steno Diabetes Center Odense, Danmark, har undersøgt prøver af menneskelig skeletmuskulatur for at afdække oprindelsen til insulinresistens. De analyserede proteomet – det fulde overblik over proteiner, som er cellernes livsmaskiner – samt fosfoproteomet, et molekylært signalsystem, der giver proteiner deres instrukser.
I den nye artikel identificerer forskerne flere mulige mål for behandling af insulinresistens. Men den største overraskelse var et molekylært signal, som kun findes hos mennesker – overset i årtiers museforskning og fraværende selv hos vores nærmeste slægtninge som chimpanser.
"Menneskelige muskelprøver gør det muligt for os at bygge fundamentet for at opdage ny medicin og finde ud af, hvilken vej vi skal justere for at forbedre insulinresponsen i musklerne," siger medforfatter Atul Deshmukh, lektor ved Københavns Universitet, som studerer forholdet mellem proteiner og metaboliske tilstande.
Musklerne styrer glukose med mikroskopiske signaler
De fleste muskler, du kan nævne - dine delts, dine quads, dine biceps - er en del af skeletmuskelsystemet, som udfører de bevægelser, vi frivilligt kontrollerer. Det er også her, kroppen opbevarer en stor del af sine kortvarige energireserver. "Efter et måltid går næsten 80 % af den glukose, der udvindes af din mad, ind i musklerne," forklarer Deshmukh. "Når det gælder håndteringen af glukose, er muskler måske det vigtigste organ i kroppen."
For bedre at forstå, hvad der går galt ved type 2-diabetes, undersøgte forskerne 123 deltagere: 68 med type 2-diabetes og 55 med normal glukosetolerance.
Først vurderede forskerne deltagernes insulinfølsomhed. De fandt, at resultaterne ikke fordelte sig pænt i to grupper: personer med insulinresistent diabetes og personer, der var insulinfølsomme og ikke havde diabetes. I stedet viste det sig at være mere et kontinuum, fortæller medforfatter Jeppe Kjærgaard, der for nylig er flyttet til Broad Institute ved MIT og Harvard for sit postdoktorale forskningsophold.
Dette tyder på, at der findes et kontinuum af defekter, der kan forstyrre cellens evne til at reagere på insulinsignalet – snarere end ét enkelt svigt et sted langs den komplekse vej fra DNA til cellulær aktivitet.
Hvorfor DNA og proteiner ikke forklarer hele mysteriet
Tidligere forskning har næsten udelukket, at noget i transkriptionen fra DNA til RNA kunne være synderen. "Hvis man bare ser på messenger-RNA, er der ingen forskel på mennesker med type 2-diabetes og 'raske' mennesker," siger medforfatter Anna Krook, professor i fysiologi og farmakologi ved Karolinska Institutet.
Og de centrale proteiner – nemlig overfladereceptorerne, der gør det muligt for cellerne at registrere insulin, og portene, der bruges til at transportere glukose ind – ser alle ud til at være korrekt samlet og til stede i skeletmuskulaturen hos personer med type 2-diabetes.
Forskerne mistænkte, at nøglen lå i næste lag: fosfoproteomet – kroppens molekylære aktivitetskort.
En række molekylære tags - små strukturer, der kan sættes på og tages af som klistermærker - giver proteinerne deres marchordre. "Når du har dette tag på proteinet på et bestemt sted, 'ved' proteinet, at det skal kommunikere med et andet protein, gå til et andet sted eller udføre en bestemt funktion," forklarer Deshmukh. "Det tag vækker dybest set proteinet til aktivitet."
Det mest velkendte af disse signalmærker er en lille fosfatgruppe. Hvis man tager et øjebliksbillede af, hvor disse tags er placeret på proteiner på et givet tidspunkt, får man fosfoproteomet - kroppens molekylære aktivitetskort. Forskerne brugte prøver af skeletmuskler fra de 123 deltagere til at kortlægge deres fosfoproteom på omkring 15.000 fosfosites på tværs af 3.000 proteiner.
Et enkelt fosfatmærke, der skilte sig ud blandt 15.000
Ved at sammenligne hver patients insulinfølsomhed med deres fosfoproteom fandt man forskelle på 184 fosfositter, som kan forklare graden af dysfunktion langs det kontinuum, som forskerne observerede.
Mange af fosfositterne var på gener, der er forbundet med, hvordan celler omdanner materialer - uanset om det er blodsukker eller fedtlagre - til brugbar energi. Alle disse kan være potentielle mål for behandlinger. Men forskerne var mest fascineret af et bestemt fosforyleringssted.
Et protein kaldet AMP-aktiveret proteinkinase (AMPK) "fortæller en celle, om den er sulten eller ej – om den har nok brændstof," forklarer Krook. Det er nøglen til at regulere blodsukkeret: Det afgør, om cellerne åbner døren for glukose.
Væsner på tværs af livets træ fra gær til planter og dyr bruger AMP-aktiveret proteinkinaser (AMPK), men de menneskelige AMPK har en anden aminosyre - byggestenen i proteiner - på et sted i proteinet kaldet position Ser65 på underenheden AMPKγ3. "Det er ikke til stede i nogen anden art," siger Kjærgaard.
"Det må være en måde for Homo sapiens at regulere glukosehåndtering og insulinfølsomhed bedre på."
Blandt mere end 15.000 molekylære steder var der ét, der skilte sig ud: et lille tag på position S65 på AMPKγ3-proteinet. Om dette sted var mærket - eller ej - viste sig at være den bedste prædiktor for, hvor insulinfølsom en person var.
Mennesker er indimellem det mærkelige tilfælde, som i udviklingen af neuroner, da vores struktur og funktion afviger markant fra andre dyrs. Men forskerne siger, at det er forsvindende sjældent, at mennesker adskiller sig fra dyrenes konsensus i noget så grundlæggende som, hvordan muskler fungerer.
Denne unikhed bliver en stor anstødssten for forskere, der forsøger at studere AMPKγ3 i laboratoriet. Ikke engang chimpanser har dette fosforyleringssted.
”Glem alt om musemodellen,” siger Deshmukh.
Holdet siger, at dette fund understreger vigtigheden af at studere menneskelige celler og væv - og risikoen ved at læne sig for tungt op ad dyremodeller. "Ellers ville vi aldrig opdage dette," siger Kjærgaard.
Mus med menneskelige gener skal vise vejen frem
Det næste skridt i teamets forskning i AMPKγ3 bliver at "menneskeliggøre mus". Medforfatter Kei Sakamoto, professor ved Novo Nordisk Foundation Center for Basic Metabolic Research ved Københavns Universitet, har genetisk modificeret en musestamme ved at udskifte de gener, der koder for AMPK, med den version, der findes i mennesker.
"I samarbejde med Sakamotos gruppe vil vi udsætte den mus for forskellige stimuli og se, hvad der sker med nedstrømsparametre som glukosehåndtering og glykogensyntese," siger Deshmukh.
Forskerne mener, at man ikke kan ignorere disse små molekylære tags, som kan være nøglen til at kortlægge "kaskaden af begivenheder, efter at insulin har fundet sin receptor i muskelvævet", tilføjer Krook.
"Vis mig dit fosfoproteom, og jeg kan fortælle dig, hvor insulinfølsom du er,” siger hun. "Det er forbløffende."
