Proteomics insights into Type 1 diabetes development – Investigating changes in serum proteome and the role of persistent enterovirus infection

Abstract

Type 1 diabetes is a chronic disease that leads to gradual destruction of insulin producing beta cells in the pancreas. By the time of diagnosis, most of the beta cells have already been destroyed. There is a need to improve our understanding of the molecular events governing the disease, from early signs to diagnosis and beyond. Identifying molecules that change at the various stages of disease could improve clinical decisions, assist in monitoring, and help classify individuals into subgroups.

In the work presented in this dissertation, mass spectrometry (MS)-based proteomics methods were employed to investigate type 1 diabetes-associated changes in serum protein levels and to explore how persistent enterovirus infection, which have been linked to the disease, alters protein expression and secretion in pancreatic ductal cells (PANC-1). Longitudinal proteomics analysis of pre-onset serum samples from children who developed type 1 diabetes at a young age revealed decreased levels of apolipoprotein C1 (APOC1) early in the disease, which remained lower until diagnosis. Targeted MS analysis of serum samples from newly diagnosed (ND) youth and unaffected family members (UFMs) further identified lower serum APOC1 levels in ND youth and revealed 12 additional proteins with differing serum levels between the two groups. Eleven proteins were also found to be associated with fasting C-peptide/glucose ratios, which served as a measure of functional beta cell mass. A validation study in a second cohort confirmed serum level differences for 10 proteins, including APOC1, between ND and UFMs and replicated negative association with the C-peptide/glucose ratios for three proteins. Persistent enterovirus infection in PANC-1 cells, using two different coxsackievirus B1 (CVB1) strains, led to significant changes in protein expression and secretion, especially affecting mitochondrial functions and the regulated secretory pathway. Notably, the two CVB1 strains also showed different effects on proteins related to the antiviral immune response. Several of the significantly altered proteins in the CVB1 models were also detected in the serum samples.

This research identified a set of proteins linked to the progression of type 1 diabetes and those modulated during persistent CVB1 infection. While a specific CVB1 signature was not found in the serum analyses, a group of overlapping proteins identified in the studies may contribute to the CVB1 infection signature.

<b>Tyypin 1 diabetekseen liittyvät muutokset proteiinien ilmentymisessä – Havaitut erot seerumiproteomissa sekä kroonisten enterovirusinfektioiden rooli sairauden kehittymisessä</b>

Tyypin 1 diabetes on sairaus, jossa kehon insuliinia tuottavat haiman beetasolut tuhoutuvat. Diagnoosivaiheessa sairastuneet ovat jo menettäneet suurimman osan insuliinia tuottavista beetasoluista. On tärkeää saada lisätietoa sairauteen liittyvistä molekyylitason muutoksista alkaen sairauden alkuvaiheesta aina diagnoosiin ja siitä eteenpäin. Molekyylit, joissa havaitaan muutoksia sairauden eri vaiheissa, voivat tuoda merkittävää lisätietoa kliiniseen päätöksentekoon, edesauttaa sairauden kulun seuraamista sekä helpottaa yksilöiden jakamista sairauden eri alaryhmiin.

Tässä väitöskirjassa hyödynnettiin massaspektrometriaan perustuvaa proteomiikkaa tyypin 1 diabetekseen liittyvien proteiinimuutosten havaitsemiseen seerumissa sekä tarkasteltiin kroonisen enterovirusinfektion aiheuttamia muutoksia haiman duktaalisoluissa. Proteiinien ilmentymiseen liittyviä muutoksia seerumissa tarkasteltiin ensin tyypin 1 diabetekseen sairastuneiden lasten sekä verrokkilasten välillä. Tässä pitkittäistutkimuksessa havaittiin apolipoproteiini C1 (APOC1) -tasojen laskevan sairauden varhaisessa vaiheessa ja pysyvän tällä tasolla diagnoosin saakka. Matalammat seerumin APOC1-tasot havaittiin myös vasta diagnosoiduilla nuorilla verrattaessa heidän näytteitään sairastumattomista perheenjäsenistä koostuvan verrokkijoukon näytteisiin. Ryhmien välillä löytyi eroja myös 12 muun proteiinin ilmentymisessä. Lisäksi 11 proteiinin kohdalla havaittiin yhteys proteiinin seerumitason ja C-peptidi/glukoosisuhteen välillä. Myöhemmässä tutkimuksessa, vahvistettiin erot 10 proteiinien kohdalla vastadiagnosoitujen ja verrokkiryhmän välillä, mukaan lukien APOC1. Lisäksi kolmen proteiinin kohdalla toistettiin yhteys proteiinin seerumitason ja C-peptidi/glukoosisuhteen välillä. Kroonisen enterovirusinfektion solumalleissa havaittiin laajoja muutoksia proteiinien ilmentymisessä. Eri enteroviruskantojen välillä löydettiin myös eroja erityisesti immuunivasteeseen liittyvissä proteiineissa. Osa proteiineista, joissa havaittiin muutoksia infektoiduissa solumalleissa, saatiin mitattua myös seeruminäytteistä.

Tässä väitöskirjassa esitettiin joukko proteiineja, jotka ovat yhteydessä tyypin 1 diabeteksen kehittymiseen sekä proteiineja, joissa havaittiin muutoksia kroonisen enterovirusinfektion aikana. Proteiinit, joista löytyi muutoksia sekä infektoiduissa soluissa että seerumissa, saattavat osaltaan viitata kroonisen infektion olemassa-oloon.