LUUSTOLIHAS ja T2DM

LÄHDE: Juleen R. Zierath,Anna Krook: Insulinresistens I skelettmuskeln på molekylär nivå

T2DM, Sivuilta 37-46

TAUSTA

Tyypin 2 diabetes mellitus on koko kehoa kohtaava tauti ja antaa oireita, kun useiden elinten yhteistoiminta on alkanut huonontua. Otsikon kirjanen valaisee tätä monessa eri kappaleessa. Sekä perintö- että ympäristötekijät vaikuttavat. Diagnoosi tehdään kohonneesta verensokerista. Glukoosin insuliinista riippuvan solunoton primaarinen kohde elin on luustolihas, koska se ottaa noin 80% glukoosista vasteena insuliinille. Luustolihasta on noin puolet kehon painosta. Sen takia luustolihaksen aineenvaihdunnan muutokset vaikuttavat koko kehon aineenvaihdunnalliseen tasapainoon.

Tyypin 2 diabetesta potevalla on insuliiniin vastaava glukoosin soluunotto huomattavasti alentunut ja se on tyypillinen löydös selvässä T2DM:ssa ja glukoositoleranssin alentumassa, mutta osoitettavissa myös terveistä, joiden 1. asteen sukulaisella on T2DM. Kirjassa selitetään, miten T2DM ilmenee solutasolla.

1. Miksi lihas ai anna asianmukaista vastetta insuliiniin?

Viimeiset kaksikymmentä vuotta on intensiivisesti tutkittu niitä luustolihassolun molekyylejä, jotka välittävät insuliinisignaalia glukoosin soluunoton lisäämiseksi. Glukoosimolekyyli ei pysty diffundoitumaan lihassoluun itsestään, vaan se tarvitsee kuljetusproteiineja mennäkseen plasmakalvon läpi. Tämän takia kaikissa kehon soluissa ilmenee erilaisia glukoosin kuljettajia mahdollistamassa glukoosin pääsyn soluun.

GLUT4- niminen glukoosin kuljettaja ilmenee lihaksessa ja rasvakudoksessa. Perustilassa GLUT4 on todettavissa solun sisällä. Vasteena insuliinisignaalille GLUT4 siirtyy plasmakalvoon ja mahdollistaa glukoosin pääsyn soluun. T2DM-taudissa tämä vaihe on viallinen lihassolussa. Kyky rekrytoida GLUT4 plasmakalvoon on T2DM-taudissa alentunut. Euglykemisen hyperinsulinemian insuliiniresistenssi selittyykin siitä suurelta osaltaan. Glukoosin soluunotossa on 40% n alenema T2DM-tautia potevilla verrattuna terveisiin.

2. Miten insuliini lisää lihassolun glukoosinottoa?

Kohonneeseen verensokeriin vasteena haimasolut vapauttavat vereen insuliinia. Insuliinia sitoutuu sitten spesifiseen reseptoriin, joita lihassolun kalvossa on. Sitoutuminen johtaa insuliinireseptorissa tapahtuvaan rakenteelliseen muutokseen solukalvon sisäpinnalla sijaitsevassa osassa ja samalla siinä käynnistyy reseptorin tyrosiinikinaasientsyymiaktiivisuus. Seuraa tyrosiinien fosforyloituminen itse reseptorissa ja myös muissa substraateissa. Entsyymikohteista olennaisimpiin kuuluu IRS-1, insuliinireseptorisubstraatti-1, joka saatuaan tyrosiinifosforylaation panee alkuun signaalikaskadin, mikä johtaa lopulta GLUT4- molekyylejä kantavien rakkuloiden siirtymiseen ja sulautumiseen solukalvoon.

On osoitettu diabeettisella lihaksella olevan huontunut kyky fosforyloida IRS-1 molekyylin tyrosiineja. Siitä seuraa kaikkien alavirtasignaalien vaimentuminen: PI3K, PDK1, AKT/PKB, TBC1D4.

T2DM -potilailta on osoitettu P13K- aktivoitumisen alassäätyminen. Tämä entsyymi on fosfatidyyli-inositoli -3- kinaasi.

Muidenkin olennaisten signaalimolekyylien fosforyloituminen on alentunutta diabeteslihaksessa, kuten AKT -fosforylaatio. Akt on sama kuin PKB.
 TBC1D4 fosforyloituminen on myös alentunut.

Grönlannissa on suhteellisen tavallinen löytö TBC1D4 mutaatio. Se on suoraan linkkiytynyt lihaksen alentuneeseen insuliiniherkkyyteen ja lisääntyneeseen T2DM- riskiin, mikä korostaa tämän extrasellulaarisen signalointitien merkitystä.

Koska AKT/PKB säätelee useita aineenvaihdunnallisia prosesseja, alentunut aktivoituminen tuo muassaan muutoksen glykogeenin varastoitumiseen ja proteiinien rakentumiseen. 
 

Tarkkaa tietoa ei ole vielä siitä, miksi insuliinireseptori ei pysty T2DM potilaiden lihaksessa fosforyloimaan IRS1 molekyylin tyrosiineja. Toisaalta on voitu osoittaa, että vahva seriinien fosforyloituma IRS molekyylissä estää insuliinireseptoria pääsemstä käsiksi IRS molekyylissä sijaitseviin tyrosiineihin. 
 

Useat kinaasit fosforyloivat IRS- molekyylin spesifisesti seriinikohtiin. Niihin kuuluu PKC eli proteiinikinaasi C, jonka lipidit aktivoivat. Samoin IKKB, jota aktivoivat tulehdussignaalit ja myös PKC. Osaltaan siten selittyisikin, miksi juuri lipidit ja tulehdukset johtavat insuliiniresistenssiin. Todennäköistä on kuitenkin, että IRS- molekyylin lisääntyneen seriinifosforyloitumisen taustalla on useita erilaisia tekijöitä ja se voi olla erilaista eri T2DM alaryhmienkin kesken.

Fosfataasienkin aktiivisuus seriinikinaasien kohonneen aktiivisuuden ohella vaikuttaa intrasellulaaristen signaalien välittymisiin. Fosfataasit ovt entsyymeitä, jotka poistavat fosfaatteja seriinikohdista ja tyrosiinikohdista. Kuitenkin fosfataasien säätymistä T2DM henkilöillä on tutkittu vähemmässä määrin. 

 

Mitä geenieroja on T2DM potilaiden lihaksen ja normaalin glukoosinsiedon omaavien lihaksen kesken? Tutkimuksissa on käytetty microarray analyysiä ja on tunnistettu T2DM -potilailla alasäätymistä geeneissä, jotka kontrolloivat oksidatiivista fosforylaatiota ja mitokondriatoimintaa. Artikkelin kirjoittajat ovat yllä mainitulla menetelmällä todenneet DGKdelta-entsyymin olevan alassäätyneentä T2DM-henkilöiden lihaksessa. Tämä entsyymi on diasyyliglyserolikinaasi delta (DAG kinaasi delta).

 Nämä DAG- kinaasit ovat solun rasvametaboliaa sääteleviä entsyymeitä. Solun sisällä ne kontrolloivat kahden tärkeän signaalivälittäjän keskeistä tasapainoa (DAG, IP3). DGK-delta katalysoi DAG:in hajoamista.

 DAG sinänsä aktivoi PKC-entsyymiä. 
Samanaikaisesti DAG- muodostumisen kanssa solun sisällä muodostuu IP3- signaalivälittäjää, liukoista inositoli-3-fosfaattia, ja se on tärkeää rakkuloiden siirtymiselle ja lisää solunsisäistä Ca++ pitoisuutta.. (Nämä molemmat signaalivälittäjät ovat alkuisin PIP2-molekyylin hajoamisesta). 
Jos fosfoinositideistä (PI-järjestelmästä lipositoleista) purkautunut DAG ei saa DAG-kinaasiaan, ja muutu fosfatidaatiksi (PA), joka voi taas (CTP- energian avulla) palata (salvage)kiertoon lipidipuolella:  PIP, PIP2, PIP3),  jota insuliinisignalointi hyödyntää, vaan joutuu PKC- entsyymin metabolia-alueelle,  huonontuu insuliinin stimuloima glukoosin soluunotto. Niillä T2DM-potilailla, joilla paastosokerit olivat korkeimpia, lihaksen DGKdelta entsyymin pitoisuudet olivat matalinta tasoa. Tämä voi tarkoittaa sitä, että, useimpien diabeetikoiden alentuneet DGK-delta-tasot ovat seurausta kohonneista verensokeriarvoista, jotka taas puolestaan edelleen huonontavat insuliiniherkkyyttä.

Tältä kannalta on kiinnostavaa, että kohonneen verensokeritason hoitaminen normalisoi lihaksen DGK-delta- entsyymin tason. Myös fyysinen aktiivisuus lisää lihaksen DGK-delta-entsyymimääriä, mikä osoittaa, kuinka eri miljöötekijät voivat suoraan vaikuttaa lihaksen insuliinisignalointiin.

• (VIITE: antaa käsitystä DGKdelta entsyymiryhmästä. Esimerkki on T-solualueelta)

• http://www.mdpi.com/1422-0067/14/4/6649/htm
• Receptor-mediated signaling is critical for immune cell development and function. Engagement of the T cell receptor (TCR) on T cells activates signaling cascades that lead to their differentiation, proliferation, and elaboration of cytokines, which are required for optimal immunity. After engagement of the TCR by peptides displayed on antigen presenting cells (APCs), signaling is amplified by the activation of phospholipase C γ1 (PLCγ1), which cleaves phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PIP₂) to form the second messengers diacylglycerol (DAG) and inositol triphosphate (IP₃). Synthesis of DAG is crucial for activation of diverse downstream signaling cascades, including the Ras, NF-κB, and AKT pathways. DAG levels must therefore be finely tuned not only through controlled production but also by its metabolism.
• Diacylglycerol kinases (DGKs) are a diverse family of enzymes that phosphorylate DAG to form phosphatidic acid (PA), thereby terminating DAG signaling and initiating additional signaling events through the synthesis of bioactive PA.
• The critical role of DGKs in controlling DAG in T cells has become evident over the last decade through the use of both cell line and in vivo models.
• The regulation of DGKs themselves, however, has begun to be understood only recently. This review summarizes our understanding of the role of DGKs in T cells and describes new advances in deciphering the means by which DGKs are regulated). 
   http://www.mdpi.com/ijms/ijms-14-06649/article_deploy/html/images/ijms-14-06649f2-1024.png

DGK-delta (lipidimolekyylien puolella) katalysoi DAG:in hajoamista PA- suuntaan, fosfatidaatiksi ja täten tukee esim. PI- salvagetietä (lipositolien synteesiä).

 Mutta DAG sinänsä aktivoi PKC-entsyymiä, joka sijaitsee solun sisällä. 

 

Jo kauan on tiedetty,että signaalista samanaikaisesti DAG- muodostumisen kanssa solun sisälle muodostuu IP3- signaalivälittäjää, liukoista inositoli-3-fosfaattia, ja se on tärkeää rakkuloiden siirtymiselle ja lisää solunsisäistä Ca++ pitoisuutta. (Nämä molemmat signaalivälittäjät ovat alkuisin PIP2-molekyylin hajoamisesta - (DAG on lipidinen ja sisältää tavallisesti  steariinihapon ja arakidonihapon ) ja IP3 on vesiliukoinen,inositolirenkaassa kolme fosfaattia, asemissa 1,4,5); S e myös toimii ATP-energia-alueella kuten sokerirakenteet). 

 

Jos fosfoinositideistä (PI- molekyyleistä) purkautunut DAG ei saa heti DAG-kinaasiaan, (eli: päätä signalointiaan ja muutu fosfatidaatiksi (PA), joka voi taas CTP- energian avulla palata (salvage) kiertoon PIP, PIP2), jota insuliinisignalointi hyödyntää, 

 vaan jos se joutuu PKC- entsyymin havaitsemaksi ja sen metabolia-alueelle, huonontuu insuliinin stimuloima glukoosin soluunotto. 

 

Niillä T2DM-potilailla, joilla paastosokerit olivat korkeimpia, lihaksen DGKdelta -entsyymin pitoisuudet olivat matalinta tasoa. Tämä voi tarkoittaa sitä, että, useimpien diabeetikoiden alentuneet DGK-delta-tasot ovat seurausta kohonneista verensokeriarvoista, jotka taas puolestaan edelleen huonontavat insuliiniherkkyyttä.

Tältä kannalta on kiinnostavaa, että kohonneen verensokeritason hoitaminen normalisoi lihaksen DGK-delta- entsyymin tason. Myös fyysinen aktiivisuus lisää lihaksen DGK-delta-entsyymimääriä, mikä osoittaa, kuinka eri miljöötekijät voivat suoraan vaikuttaa lihaksen insuliinisignalointiin.

3. Mikä vaikuttaa lihaksen insuliiniherkkyyteen?

Useat tekijät vaikuttavat siihen, miten hyvin lihas reagoi insuliiniin. Esimerkiksi jos infusoidaan suoneen rasvaemulsiota, vähenee insuliiniherkkyys nopeasti. Insuliiniherkkyyden muutokseen on liitetty useita erilaisia veressä kiertäviä tekijöitä ja niistä moni on peräisin rasvakudoksesta. Esimerkkejä ovat leptiini, adiponektiini ja tulehdusmerkitsijät. Lihassupistuksella ja fyysisellä aktiivisuudella on dokumentoitu hyvä vaikutus lihaksen insuliiniherkkyyteen.

Lihastyöllä on välitön vaikutus, koska glukoosinotto lihassoluun lisääntyy silloin insuliinista riippumattakin. Se johtuu GLUT4-molekyylin translokaatio. Lihassupistus johtaa moniin solumuutoksiin. Esimerkiksi venytykselle herkät reseptorit aktivoituvat. Solun sisäinen pH muuttuu. Jonisoitunutta kalsiumia ja muita metaboliitteja vapautuu. Samalla myös ATP/AMP-suhde muuttuu.

Kalsiumin (Ca++) vapautuminen johtaa monen eri signaaliketjun aktivoitumiseen ja niistä moni sinänsä voi vaikuttaa lihaksen aineenvaihduntaan ja insuliiniherkkyyteen.

AMPK (AMP-molekyylin, adenosiinimonofosfaatin, aktivoima proteiinikinaasi) tiedetään tärkeäksi signaalimolekyyliksi ja sen aktivoituminen voi johtaa GLUT4-molekyyliä sisältävien rakkuloiden siirtymiseen lihassolun plasmakalvoon. AMPK aktivoituu, kun ATP-energiapakettien ( trifosfaattien) määrä laskee suhteessa AMP- määrään (monofosfaattien määrään), toisin sanoen ATP/AMP suhteen laskiessa. Tehtäessä lihastyötä kulutetaan ATP:tä ja sen seurauksena ATP-pitoisuudet laskevat ja AMP-pitoisuudet nousevat ja AMPK-entsyymi aktivoituu. Myös muut olosuhteet voivat aktivoida AMPK-entsyymin, kun ATP-pitoisuudet jostain syystä laskevat: esimerkiksi ravinnonoton laskiessa tai solustressin vallitessa.

Kun AMPK on aktiivina, lisääntyy lihaksessa glukoosin soluun otto insuliinista riippumattomalla tavalla. Samanaikaisesti lisääntyy rasvahappojen poltto energiaksi , kun solu koettaa palauttaaa energiatasapainoaan. Näin ollen AMPK:n aktivoiminen on eräs mahdollisuus vaikuttaa lihaksen glukoosin oton lisääntymistä ja samalla voidaan kiertää alassäätyneen insuliinisignaloinnin ongelmistoa.

• VIITE: BAIB, tymiinin luonnollinen metaboliitti, jota muodostuu lihastyössä.

• β-aminoisobutyric acid attenuates hepatic endoplasmic reticulum stress and glucose/lipid metabolic disturbance in mice with type 2 diabetes.

 

Pitkäaikainen treenaus ja fyysinen aktiviteetti johtaa enemmän tai vähemmän välittömiin AMPK-entsyymin aktivoitumisiin ja treenatussa lihaksessa myös geeni-ilmenemän muutokseen ja yhdessä nämä seikat johtavat lihaksen parempaan insuliiniherkkyyteen. Muun muassa treenausvasteena lisääntyy GLUT4 proteiini. Myös mitokondrioitten lukumäärä ja toiminta vaikuttuvat kohentuneeseen suuntaan.

On vielä paljon tieteellisen tutkimuksen aihetta siinäkin, miten nämä liikunnan hyvät aineenvaihdunnalliset vaikutukset välittyvät molekyylitasolla, sillä lihassupistuksestahan aktivoituu tai vaimenee moni eri signaaliketju, ja aktivoitumisaste riippuu lihastyön tavasta, intensiteetistä ja kestosta.

4. Mitokondrioitten aineenvaihdunnallinen jähmeys

Mitokondria on solunsisäinen organelli ja se hajoittaa erilaisia energia-aineita. Mitokondriat voivat tehdä vaihteen eri pääenergia-aineiden käytön kesken. Pääenergia-aineet ovat hiilihydraatit (kuten glukoosi), rasvat ( eri rasvahapot) ja proteiinit (aminohapot). Insuliinin stimuloimassa tilanteessa mitokondria käyttää glukoosista johtuvia orgaanisia hiiliketjumuotoja. Väliaikoina mitokondriat käyttävät ennen kaikkea rasvahapoista peräisin olevia hiiliketjuja, kun ne generoivat ATP:tä.

Tämä kyky pystyä tekemään vaihde eri energiapäälajien substraatin kesken on aineenvaihdunnallista joustavuutta (fleksibiliteettiä). Tämä kyky on alentunut T2DM:ssa. Nykyisissä tutkimuksissa keskitytään tämän mitokondriaalisen metabolisen inflexibiliteetin (aineenvaihdunnallisen jähmeyden) taustasyitten ymmärtämiseen.

5. Rasvahapot ja metyloitumisaste

Erilaisiin proteiineihin voi linkkiytyä metyyliryhmiä, myös DNA:n cytosiinikohtiin, jolloin kyse on epigeneettisestä modifioitumisesta. Usein DNA:n metyloituminen vaikuttaa siihen, miten DNA on erilaisten proteiinitekijöiden kuten esim. transskriptiotekijöitten saatavilla. Sen takia metyloitumisaste voi säädellä, miten DNA-sekvenssit ovat aktiiveja ja mitkä geenit ilmenevät.

T2DM- henkilöiltä voidaan analysoida lihaksen promoottori-DNA:n metyloitumisaste ja vertailla tätä terveisiin kotnrollihenkilöihin. Tämän artikkegeenin ilmenemä) lin kirjoittajat havaitsivat metyloitumisasteita tutkiessaan T2DM-potilailla noin 800 geenissä merkitseviä eroja. Näistä geeneistä mainitaan esimerkkinä PGC1alfa geeni. T2DM-henkilöiden lihaksessa oli tämän geenin promoottorin DNA-sekvenssi (= se osa DNA:ta, josta säätyy geenin ilmenemä) oli korkea-asteisemmin metyloitunut kuin terveillä . Samaa havaittiin myös niiltä henkilöiltä, jotka potivat vaikea-asteista lihavuutta. Mielenkiintoista oli sekin, että ylipainoa vähentävän kirurgisen operaation jälkeen metyloitumisaste palautui samaan kuin insuliiniherkillä normaalipainoisilla henkilöillä.

Myös T2DM- henkilöiden beetasoluissa on havaittu saman geenin PGC1alfa promoottorin metylaatioasteen muuntuneen. Tutkijat tekivät myös sen havainnon, että beetasolun PGC1alfa-geenin promoottorin metyloitumisaste korreloi lihaksen ilmentämään PGC1alfa-määrään käänteisesti: Jos PGC1alfa:n promoottorin metyloitumisaste oli beetasolussa korkea, PGC1alfan ilmenemä lihaksessa oli matala.

Niinpä T2DM-henkilöillä voi PGC1alfa-geenin vahvassa metyloitumisasteessa olla syy lihaksen vähempään PGC1alfa-ilmenemään.

Koeputkiviljelmistä tehtiin mielenkiintoinen havainto: Viljeltyjen lihassolujen PGC1alfa-geenin promoottorin metyloitumisaste nousi suorana vasteena väliaineen rasvahappojen aiheuttamaan altistukseen, mikä osoittaa, että lihassolua ympäröivä miljöö voi vaikuttaa metyloitumisasteeseen.

Entsyymi DNMT3B.

Rasvahappojen aiheuttama PGC1alfa-promoottorin metylaatio riippui eräästä spesifisestä metyylitransferaasista DNMT3B siten, että solut joista tämä entsyymi puuttui, olivat suojattuja rasvahappojen metyloitumisastetta kohottavalta vaikutukselta ja PGC1alfaan kohdistuvalta vaikutukselta.

On vielä epäselvä asia, millä tavalla rasvahapot ovat ja ovatko ne ylipäätänsä se tekijä, joka säätelee PGC1alfageenin promoottorin metyloitumisasteen. Aiemmista tutkimuksista tiedetään kuitenkin, että elintavan muutokset painonlaskuineen ja lisättyine fyysisine aktiivisuuksineen on ylipainoisilla liittynyt mitokondrioitten lukumäärän ja koon lisääntymiseen. Nämä löydöt osoittaisivat, että insuliiniresistenssin vallitessakin lihas on säilyttänyt tallella sekä kykynsä vastata fyysiseen aktiviteettiin että mitokondriaalisen plastisuutensa.

Mitokondrioitten koon ja lukumäärän lisääntymiset liittyivät insuliiniherkkyyden kohentumisiin.

Rajoitetussa määrin käytetään nykyisin eräissä tuumoritaudeissa lääkkeitä, jotka vaikuttavat metyloitumispotentiaaliin. Edellämainitut tulokset laajentanevat indikaatioaluetta ehkä metabolistenkin tautien hoidon alueelle.

6. Perimä, ympäristö ja epigenetiikka

Tuleva tutkimus selventänee, missä määrin epigeneettiset muutokset antavat osuutta perimän ja ympäristön yhteisvaikutuksiin T2DM:n kehittymisessä. On myös tärkeä oivaltaa, jos ja miten ympäristötekijät kuten dieetti ja fyysinen aktiviteetti vaikuttavat eri geenien metyloitumisstatukseen ja pidemmällä ajalla geenifunktioon. Tärkeää on myös ymmärtää hyödyntää tietoa metabolisten tautien hoitoon ja ennaltaehkäisyyn.

LÄHDE:

Medicinsk kunskap från Läkartidningen. DIABETES TYP 2.

Claes -Göran Östenson (red) . Läkartidningen Förlag AB Sidorna 37- 46.

Juleen R. Zierath,Anna Krook: Insulinresistens I skelettmuskeln på molekylär nivå

Suomennos L Bright 9.1.2017