2024-08-29
在全球瞩目的2024年奥运赛事期间，运动再次成为了人们关注的焦点。奥运精神的传递不仅体现在赛场上的拼搏与卓越，更激发了大众对运动与健康的广泛关注。众多研究表明，规律的运动锻炼对身心健康具有显著的积极影响，不仅能增强体能，还能改善心理状态。然而，运动对身体的深层次影响机制仍然是科学界持续探索的热点话题。近年来，借助多组学技术的进步，科学家们能够更深入地揭示运动锻炼对多器官系统的作用机制，解答关于运动如何在分子、细胞和器官层面促进健康的关键问题。 图1 Nature第629卷第8010期封面 近日，美国国立卫生研究院（NIH）下属的体育活动分子传感器联盟（Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, MoTrPAC）的研究团队在Nature上发表题为Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training的论文，该研究首次在雄性和雌性大鼠中绘制了持续运动训练的时间效应的全生物组分子图谱，鉴定到了上千种共有的或组织特异性的分子变化，并且在多个组织中存在着性别差异，发现持续运动导致的适应性变化有免疫调控、代谢变化、胁迫响应和线粒体通路的变化。
研究设计 1）研究对象：344只6月龄雌、雄大鼠； 2）研究分组：运动训练组（四个训练时间点：1周、2周、4周和8周），性别匹配的未经训练的大鼠作为对照组； 3）样本类型：全血、血浆及18种实体组织（如图2）； 4）9大组学：转录组、蛋白质组、代谢组、脂质组、磷酸蛋白质组、乙酰化蛋白质组、泛素化蛋白质组、表观遗传组和免疫组。 图2 研究设计 研究结果 1、多组学结果概况 转录组学分析中，下丘脑、皮层、睾丸和腔静脉中训练调节基因的比例最小，而血液、棕色和白色脂肪组织、肾上腺和结肠则具有更广泛的影响。蛋白质组学分析中，腓肠肌、心脏和肝脏在蛋白质丰度和翻译后修饰方面都表现出显著的差异调节。代谢组学分析中，在所有组织中一致观察到很大比例的差异代谢物。 图3 多组学数据集 为了明确多种组织中的组织特异性训练响应基因，研究人员选择腓肠肌、心脏、肝脏、白色脂肪组织、肺和肾脏6种组织进行深度分析，在这些数据集中共有11407个差异特征基因，总共涵盖了这些组织中的7115个独特基因，大多数具有至少一种训练响应特征的基因呈现组织特异性，其中白色脂肪组织的特异性基因数量最多。有2359个基因在至少两种组织中表现差异性。肺和白色脂肪组织具有最大的独特共有基因集，主要涉及到免疫相关途径富集，这表明肺部炎症减少，白色脂肪组织免疫细胞募集增加。心脏和腓肠肌具有第二大独特共有基因集，其中线粒体代谢途径富集，包括线粒体融合基因Opa1和Mfn1。总的来说，多种组织都具有运动训练响应。 图4 多组织的运动训练响应 2、转录因子与磷酸化信号 进一步比较各个组织中最显著富集的转录因子，结果发现，血液中造血相关转录因子GABPA、ETS1、KLF3和ZNF143富集；在心脏和骨骼肌中，Mef2家族转录因子特别是MEF2C富集。各个组织中关键激酶的磷酸化特征也发生了变化，在心脏、肾脏和肺中，AKT1的磷酸化改变；在心脏、肾脏和白色脂肪组织中，mTOR的磷酸化改变；在心脏和肾脏中，MAPK的磷酸化改变。 3、运动适应的分子中枢与性别对运动的反应 随后，研究人员重点分析了3种横纹肌（腓肠肌，股外侧肌和心脏）中共同的分子响应，结果发现，到第8周时，肌肉组织中的多种特征显示出上调，并且线粒体代谢、线粒体生物合成和翻译、细胞的热应激反应都得到了增强。进一步对免疫通路进行富集分析发现，在肌肉和大脑中，免疫通路有一定富集，而在肺部和小肠中下调，在雄性的棕色和白色脂肪组织中强烈上调。此外，雄性的脂肪组织中特异性上调的转录表达谱与外部细胞分型检测的免疫细胞标志物之间存在强烈的正相关，包括B细胞、T细胞和自然杀伤细胞。这些结果说明免疫细胞活性在雄性脂肪组织对持续锻炼的适应中起着重要作用。 图5 运动诱导的免疫反应 4、多组织中的线粒体和脂质变化 代谢组学分析发现，肝脏中显著富集的代谢物种类最多，大多与线粒体、氨基酸和脂质代谢途径中的蛋白质丰度和蛋白质乙酰化变化相对应。心脏、肺、下丘脑次之，心脏则表现出各种碳水化合物的富集。在大多数组织中氧化磷酸化都显著富集，进一步分析发现，骨骼肌、心脏和肝脏中线粒体生物合成增加。在肾脏中，脂质相关复合物的显著富集，且磷脂酰胆碱（卵磷脂）增加和三酰基甘油减少。这些分子适应可能构成运动介导的改善肝脏健康机制的一部分，特别是防止肝内脂质过度累积和脂肪变性。 图6 运动引起的代谢变化 总的来说，多时间点、多组织、多组学分析揭示了全方位的持续性运动训练适应性反应生物学见解，包括免疫、代谢、应激反应和线粒体通路调节。许多变化与人类健康有关，包括非酒精性脂肪肝、炎症性肠病、心血管健康及组织损伤和恢复。本研究中提供的数据和分析将为理解和探索运动训练多组织分子效应提供宝贵的资源，并加深对与持续性运动锻炼相关健康管理和疾病改善的理解。 同期，该团队还在Nature Metabolism和Nature Communications期刊发表了两篇论文，分别揭示了大鼠皮下白色脂肪组织对运动锻炼的性别差异和多组学响应，以及运动对复杂性状遗传相关基因调控的影响。
另外，上述研究所涉及到的多组学技术，派森诺生物均可提供检测与分析，欢迎联系进一步交流。
参考文献 [1] MoTrPAC Study Group., Lead Analysts. & MoTrPAC Study Group. Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training. Nature 629, 174–183 (2024). [2] Many, G.M., Sanford, J.A., Sagendorf, T.J. et al. Sexual dimorphism and the multi-omic response to exercise training in rat subcutaneous white adipose tissue. Nat Metab 6, 963–979 (2024). [3] Vetr, N.G., Gay, N.R., MoTrPAC Study Group. et al. The impact of exercise on gene regulation in association with complex trait genetics. Nat Commun 15, 3346 (2024).
