Die Rolle von TBC1D4 im belastungs- und insulininduzierten Glukosestoffwechsel im menschlichen Skelettmuskel

Kürzlich wurde eine verbreitete grönländische Nonsens-p.Arg684erTer-Variante (in der Arginin durch ein Terminationscodon ersetzt ist) im Gen TBC1D4 entdeckt. Die Variante hat eine Allelfrequenz von 17 %. Homozygote Träger dieser TBC1D4-Variante haben eine eingeschränkte Glukosetoleranz und ein 10-fach erhöhtes T2D-Risiko. Die Forscher schlagen vor, eine umfassende metabolische Phänotypisierung erwachsener Inuit durchzuführen, die null oder zwei Allele der TBC1D4-Variante tragen. Die Forscher vermuten, dass die Regulierung von TBC1D4 in der Skelettmuskulatur entscheidend für die Regulierung der Glukoseaufnahme während des Trainings, während der physiologischen Insulinstimulation und für die Fähigkeit eines akuten Trainings ist, die Insulinsensitivität zu verbessern, um den Glukosestoffwechsel beim Menschen zu regulieren.

Unsere übergeordneten Ziele im vorliegenden Projekt sind:

1. Bestimmen Sie, ob die TBC1D4 p.Arg684Ter-Variante die Regulation der Glukoseaufnahme im Skelettmuskel während des Trainings und während der physiologischen Insulinstimulation beeinflusst.
2. Bestimmen Sie die Wirkung der TBC1D4 p.Arg684Ter-Variante auf die Fähigkeit akuter körperlicher Betätigung, den Skelettmuskel für Insulin zu sensibilisieren, um den Glukosestoffwechsel zu regulieren.
3. Definieren Sie die von der p.Arg684Ter-Variante betroffenen Stoffwechselwege, um kausale Faktoren zu identifizieren, die für den diabetischen Phänotyp von Inuit-Trägern verantwortlich sind.

Die generierten Erkenntnisse werden zu zusätzlichen erklärenden Hinweisen auf die erhöhte Häufigkeit von T2D bei den Trägern beitragen.

Studienpopulation:

Die Inuit Health in Transition (IHIT)-Studie ist eine Studie an Erwachsenen in West- und Ostgrönland. Die Teilnehmer wurden durch eine geschichtete Zufallsstichprobe ausgewählt und die Daten wurden in den Jahren 1999-2010 unter Verwendung klinischer Verfahren, Probenahmen von biologischem Material und Fragebögen gesammelt. Um das Ziel zu erreichen, werden die Forscher eine umfassende metabolische Phänotypisierung von Inuits durchführen, die null (n=10) oder zwei (n=10) Allele der aus dieser Kohorte rekrutierten TBC1D4 p.Arg684Ter-Variante tragen. Basierend auf einer Wirkung von 1,2 SD, wie sie für die Plasmaglukosespiegel während eines oralen Glukosetoleranztests (OGTT) in der vorherigen Studie (6) zwischen homozygoten Trägern und Nichtträgern der TBCD14-Variante gefunden wurde, erreichen die Forscher eine Leistung von 89 % bei p= 0,05 bei der Rekrutierung von 10 homozygoten Trägern und 10 Nichtträgern.

Methoden:

Die Genotypisierung der IHIT-Kohorte wurde bereits durchgeführt. Somit können die Prüfärzte Studienteilnehmer aufgrund ihres bekannten Genotyps für die vorliegende Studie erneut aufrufen. Die Forscher beabsichtigen, hochgradig invasive physiologische Studien an Personen durchzuführen, die die TBC1D4-Punktmutation tragen, sowie an Kontrollpersonen, die nach Alter, Geschlecht und BMI übereinstimmen. Die Teilnehmer sind männliche Nichtdiabetiker (25-50 Jahre), die über das IHIT-Kohortenregister rekrutiert werden (n=4.200). Die Rekrutierung, das Screening und die ersten klinischen Untersuchungen (oraler Glukosetoleranztest und körperliche Belastungstests, einschließlich Anpassung an ein einbeiniges Fahrradergometer) finden in Grönland statt. Der invasivste Teil der Studie, der unten beschrieben wird, wird in Kopenhagen, Dänemark, stattfinden.

Während des Aufenthalts in Kopenhagen erhalten die Teilnehmer eine kalorienarme, standardisierte Diät, die 3 Tage vor der Interventionsstudie verzehrt werden muss. Am Studientag kommen die Teilnehmer nach einer nächtlichen Fastenkur im Labor an. Katheter werden in beide Oberschenkelvenen (V) und in eine Oberschenkelarterie (A) gelegt. Eine Muskelbiopsie wird aus dem Vastus lateralis eines Beins (ruhendes Bein) entnommen. Die Teilnehmer führen dann eine Stunde lang einbeinige Kniestreckerübungen durch und lassen das andere Bein als ausgeruhtes Kontrollbein. Unmittelbar nach dem Training wird eine Biopsie aus dem trainierten Bein entnommen und die Teilnehmer ruhen sich 3 Stunden lang im nüchternen Zustand aus, bevor ein dritter Satz Muskelbiopsien (von beiden Beinen) und eine Biopsie des subkutanen Bauchfetts entnommen werden. Anschließend wird die Insulinsensitivität während einer 2-stündigen physiologischen hyperinsulinämischen euglykämischen Klemme bewertet. Am Ende der Klemme wird ein letzter Satz Biopsien (beide Beine) und eine Biopsie des subkutanen Bauchfetts entnommen. Während des Studientages ermöglicht die Probenahme von arteriellen und venösen Blut-/Plasmaproben eine Abschätzung der Substratextraktion durch die beiden Beine. Ferner ermöglichen Messungen des arteriellen Blutflusses durch Ultraschall-Doppler-Technik eine endgültige Berechnung der Substrataufnahme/-freisetzung über die beiden Beine vor dem Training, während des Trainings und bei der Erholung vom Training. Wichtig ist, dass die Fähigkeit von Insulin, diesen Prozess zu stimulieren, sowohl in einem ausgeruhten als auch in dem zuvor trainierten Bein bewertet werden kann.

Die Forscher planen, ein tiefes Transkriptprofiling von Muskelgewebeproben durchzuführen und Korrelationen zwischen Alter, Geschlecht, BMI, genetischen Varianten und den Transkriptionsprofilen zu definieren, um die Auswirkungen identifizierter metabolischer genetischer Varianten auf die Genregulation zu verstehen. Um die wichtigsten biochemischen Stoffwechselwege zu definieren, die durch das mutierte TBC1D4 beeinflusst werden, werden die Forscher Metabolomanalysen der Muskelbiopsieproben durchführen. Um mutmaßliche Zielpfade zu identifizieren, die von der Mutation betroffen sind, werden die Forscher Massenspektrometrie-basierte Interaktom- sowie Proteom-/Phosphoproteom-Analysen durchführen. Anhand dieser Daten und der aus den Stoffwechselanalysen gewonnenen Daten werden die Ermittler die betroffenen Stoffwechselprozesse, die an der Progression zum diabetischen Phänotyp der Inuit-Träger beteiligt sind, besser identifizieren können. Solche Wege werden in nachfolgenden Analysen biochemisch genauer untersucht, einschließlich zusätzlicher (zur Phosphorylierung) posttranslationaler Modifikationen (z. Glykosylierung) sowie Expression/Aktivitäten von Schlüsselenzymen im Glukose- und Fettstoffwechsel.