Abstract The failure of metabolic tissues to appropriately respond to insulin (“insulin resistance”) is an early marker in the pathogenesis of type 2 diabetes. Protein phosphorylation is central to the adipocyte insulin response, but how adipocyte signaling networks are dysregulated upon insulin resistance is unknown. Here we employed phosphoproteomics to delineate insulin signal transduction in adipocyte cells and adipose tissue. Across a range of insults triggering insulin resistance, we observed marked rewiring of the insulin signaling network. This included both attenuated insulin-responsive phosphorylation, and the emergence of phosphorylation uniquely insulin-regulated in insulin resistance. Identifying signaling changes common to multiple insults revealed subnetworks likely containing causal drivers of insulin resistance. Focusing on defective GSK3 signaling initially observed in a relatively small subset of well-characterized substrates, we employed a pipeline for identifying context-specific kinase substrates. This facilitated robust identification of widespread dysregulated GSK3 signaling. Pharmacological inhibition of GSK3 partially reversed insulin resistance in cells and tissue explants. These data highlight that insulin resistance is a multi-nodal signaling defect that encompasses dysregulated GSK3 activity.

Abstract Metabolic disease is caused by a combination of genetic and environmental factors, yet few studies have examined how these factors influence signal transduction, a key mediator of metabolism. Using mass spectrometry-based phosphoproteomics, we quantified 23,126 phosphosites in skeletal muscle of five genetically distinct mouse strains in two dietary environments, with and without acute in vivo insulin stimulation. Almost half of the insulin-regulated phosphoproteome was modified by genetic background on an ordinary diet, and high-fat high-sugar feeding affected insulin signalling in a strain-dependent manner. Our data revealed coregulated subnetworks within the insulin signalling pathway, expanding our understanding of the pathway’s organisation. Furthermore, associating diverse signalling responses with insulin-stimulated glucose uptake uncovered regulators of muscle insulin responsiveness, including the regulatory phosphosite S469 on Pfkfb2, a key activator of glycolysis. Finally, we confirmed the role of glycolysis in modulating insulin action in insulin resistance. Our results underscore the significance of genetics in shaping global signalling responses and their adaptability to environmental changes, emphasizing the utility of studying biological diversity with phosphoproteomics to discover key regulatory mechanisms of complex traits.

Weight loss can improve the metabolic complications of obesity. However, it is unclear whether insulin resistance persists despite weight loss and whether any protective benefits are preserved following weight regain (weight cycling). The impact of genetic background on weight cycling is undocumented. We aimed to investigate the effects of weight loss and weight cycling on metabolic outcomes and sought to clarify the role of genetics in this relationship.

Summary Insulin resistance (IR) is a complex metabolic disorder that underlies several human diseases, including type 2 diabetes and cardiovascular disease. Despite extensive research, the precise mechanisms underlying IR development remain poorly understood. Here, we provide new insights into the mechanistic connections between cellular alterations associated with IR, including increased ceramides, deficiency of coenzyme Q (CoQ), mitochondrial dysfunction, and oxidative stress. We demonstrate that elevated levels of ceramide in the mitochondria of skeletal muscle cells results in CoQ depletion and loss of mitochondrial respiratory chain components, leading to mitochondrial dysfunction and IR. Further, decreasing mitochondrial ceramide levels in vitro and in animal models (under chow and high fat diet) increased CoQ levels and was protective against IR. CoQ supplementation also rescued ceramide-associated IR. Examination of the mitochondrial proteome from human muscle biopsies revealed a strong correlation between the respirasome system and mitochondrial ceramide as key determinants of insulin sensitivity. Our findings highlight the mitochondrial Ceramide-CoQ-respiratory chain nexus as a potential foundation of an IR pathway that may also play a critical role in other conditions associated with ceramide accumulation and mitochondrial dysfunction, such as heart failure, cancer, and aging. These insights may have important clinical implications for the development of novel therapeutic strategies for the treatment of IR and related metabolic disorders.

Abstract Systems genetics has begun to tackle the complexity of insulin resistance by capitalising on computational advances to study high-diversity populations. “Diversity Outbred in Australia (DOz)” is a population of genetically unique mice with profound metabolic heterogeneity. We leveraged this variance to explore skeletal muscle’s contribution to whole-body insulin action through metabolic phenotyping and skeletal muscle proteomics of 215 DOz mice. Linear modelling identified 553 proteins that associated with whole-body insulin sensitivity (Matsuda Index) including regulators of endocytosis and muscle proteostasis. To enrich for causality, we refined this network by focussing on negatively associated, genetically regulated proteins, resulting in a 76-protein fingerprint of insulin resistance. We sought to perturb this network and restore insulin action with small molecules by integrating the Broad Institute Connectivity Map platform and in vitro assays of insulin action using the Prestwick chemical library. These complimentary approaches identified the antibiotic thiostrepton as an insulin resistance reversal agent. Subsequent validation in ex vivo insulin resistant mouse muscle, and palmitate induced insulin resistant myotubes demonstrated potent insulin action restoration, potentially via up-regulation of glycolysis. This work demonstrates the value of a drug-centric framework to validate systems level analysis by identifying potential therapeutics for insulin resistance.

ABSTRACT White adipose tissue is deposited mainly as subcutaneous adipose tissue (SAT), often associated with metabolic protection, and abdominal/visceral adipose tissue (VAT), which contributes to metabolic disease. To investigate the molecular underpinnings of these differences, we conducted comprehensive proteomics profiling of whole tissue and isolated adipocytes from these two depots across two diets from C57Bl/6J mice. The adipocyte proteomes from lean mice were highly conserved between depots, with the major depot-specific differences encoded by just 3% of the proteome. Adipocytes from SAT (SAdi) were enriched in pathways related to mitochondrial complex I and beiging, whereas visceral adipocytes (VAdi) were enriched in structural proteins and positive regulators of mTOR presumably to promote nutrient storage and cellular expansion. This indicates that SAdi are geared toward higher catabolic activity, while VAdi are more suited for lipid storage. By comparing adipocytes from mice fed chow or Western diet (WD), we define a core adaptive proteomics signature consisting of increased extracellular matrix proteins and decreased fatty acid metabolism and mitochondrial Coenzyme Q biosynthesis. Relative to SAdi, VAdi displayed greater changes with WD including a pronounced decrease in mitochondrial proteins concomitant with upregulation of apoptotic signaling and decreased mitophagy, indicating pervasive mitochondrial stress. Furthermore, WD caused reduction in lipid handling and glucose uptake pathways particularly in VAdi, consistent with adipocyte de-differentiation. By overlaying the proteomics changes with diet in whole adipose tissue and isolated adipocytes, we uncovered concordance between adipocytes and tissue only in the VAT, indicating a unique tissue-specific adaptation to sustained WD in SAT. Finally, an in-depth comparison of isolated adipocytes and 3T3-L1 proteomes revealed a high degree of overlap, supporting the utility of the 3T3-L1 adipocyte model. These deep proteomes provide an invaluable resource highlighting differences between white adipose depots that may fine-tune their unique functions and adaptation to an obesogenic environment.

Abstract High platelet reactivity is associated with adverse clinical events and is more frequent in people with diabetes mellitus (DM). To better understand platelet dysfunction in DM, we performed a proteomic analysis in platelets from a matched cohort of 34 people without, and 42 people with type 2 DM. The cohorts were matched by clinical characteristics including age, sex, and coronary artery disease burden. Using high sensitivity unbiased proteomics, we consistently identified over 2,400 intracellular proteins, and detected proteins that are differentially released by platelets from people with diabetes in response to low dose thrombin. Importantly, we identified the endoplasmic reticulum (ER) protein SEC61 translocon subunit beta (SEC61B) was increased in platelets from humans and mice with in vivo hyperglycemia. SEC61B was increased in megakaryocytes in mouse models of diabetes, in association with megakaryocyte ER stress. A rise in cytosolic calcium is a key aspect in platelet activation, and the SEC61 translocon is known to act as a channel for ER calcium leak. We demonstrate that cultured cells overexpressing SEC61B have increased calcium flux and decreased protein synthesis. In accordance, hyperglycemic mouse platelets mobilized more calcium to the cytosol and had lower protein synthesis compared with normoglycemic platelets. Independently, in vitro induction of ER stress increased platelet SEC61B expression and markers of platelet activation. We propose a mechanism whereby ER stress-induced upregulation of platelet SEC61B leads to increased cytosolic calcium, potentially contributing to platelet hyperactivity in people with diabetes. Key Points Platelet SEC61B is increased in hyperglycemia and contributes to increased endoplasmic reticulum (ER) calcium leak Increased ER calcium leak is associated with ER stress and platelet hyperactivity

Abstract Insulin resistance is heritable; however, the underlying genetic drivers remain elusive. In seeking these, we performed genetic mapping of insulin sensitivity in 670 chow-fed Diversity Outbred in Australia (DOz) mice and identified a genome-wide significant quantitative trait loci (QTL) within the chromosome 8 defensin gene cluster. Defensins are antimicrobial peptides secreted from Paneth cells into the intestinal lumen that can alter the abundance of beneficial and detrimental microbes. Proteomic analysis of the small intestine from Diversity Outbred founder strains revealed that alpha-defensin 26 positively correlated with whole-body insulin sensitivity, and founder strain genetic contributions to the insulin sensitivity QTL. To validate these findings, we synthesised the secreted form of alpha-defensin 26 and performed diet supplementation experiments in two mouse strains with distinct endogenous alpha-defensin 26 expression levels. In validation of our DOz data, the strain with lower endogenous expression (C57BL/6J) exhibited improved insulin sensitivity and reduced gut permeability following defensin supplementation. In contrast, the higher expressing strain (A/J) exhibited hypoinsulinemia, glucose intolerance and muscle wasting. Gut microbiome profiling in these mice revealed both global and strain-specific changes including some observed in DOz mice positive for the putative insulin sensitivity allele. Inspired by previous work linking glucose homeostasis to gut microbiome mediated changes in plasma bile acids, we investigated these as a potential mechanism. As with metabolic changes, A/J but not C57BL/6J mice exhibited differential plasma bile acid concentrations following defensin supplementation. These data highlight the importance of considering individual differences when designing metabolic therapeutics and paves the way for further studies investigating links between the host genetics and the microbiome.