經(jīng)常運(yùn)動(dòng)對(duì)健康有廣泛的好處，它不僅可以降低全因死亡率、心臟代謝、神經(jīng)疾病、癌癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn)，還能影響幾乎所有器官系統(tǒng)。這種積極的影響通過細(xì)胞和分子層面的適應(yīng)，有助于改善健康、降低疾病風(fēng)險(xiǎn)，并促進(jìn)各組織和器官系統(tǒng)之間的良性互動(dòng)。但其潛在的分子機(jī)制尚不完全清楚。
近期來(lái)自斯坦福和哈佛大學(xué)的MoTrPAC研究團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表題為“Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training”的文章，該研究對(duì)雄性和雌性褐家鼠進(jìn)行了8周耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，對(duì)不同時(shí)間的全血、血漿和18個(gè)組織樣本進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、脂質(zhì)組、磷酸化蛋白質(zhì)組、乙酰蛋白質(zhì)組、泛素蛋白質(zhì)組、表觀基因組和免疫組學(xué)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)共有和組織特異性的分子改變，并揭示了性別差異以及免疫、代謝、應(yīng)激反應(yīng)和線粒體途徑等方面的廣泛調(diào)節(jié)。
技術(shù)路線圖
1. 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的多組學(xué)分析
對(duì)6個(gè)月大的雄性和雌性Fischer 344大鼠進(jìn)行漸進(jìn)式跑步機(jī)耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練1、2、4和8周，并在最后一次運(yùn)動(dòng)48小時(shí)后收集組織。結(jié)果表明訓(xùn)練導(dǎo)致了強(qiáng)大的表型變化，包括增加有氧能力和減少體脂百分比。使用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)免疫分析技術(shù)對(duì)全血、血漿和18種固體組織進(jìn)行了分析。在轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析中，下丘腦、皮層、睪丸和腔靜脈的訓(xùn)練調(diào)節(jié)基因比例最小，而血液、棕色和白色脂肪組織、腎上腺和結(jié)腸具有更廣泛的影響；蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腓腸肌、心臟和肝臟在蛋白質(zhì)豐度和翻譯后修飾方面都表現(xiàn)出顯著的差異調(diào)節(jié)；代謝組學(xué)結(jié)果顯示在所有組織中一致觀察到很大比例的差異代謝物。
圖1. 研究設(shè)計(jì)和多組學(xué)數(shù)據(jù)集概述
2. 多種組織對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)
為了明確組織特異性和多組織訓(xùn)練響應(yīng)的基因表達(dá)情況，研究人員選取了腓腸肌、心臟、肝臟、白色脂肪組織、肺和腎這6種最深入分子分析的組織。來(lái)自這些數(shù)據(jù)集的11407個(gè)差異特征被映射到它們的同源基因，總共涵蓋了各組織中的7115個(gè)獨(dú)特基因。大多數(shù)擁有至少一個(gè)訓(xùn)練響應(yīng)特征的基因呈現(xiàn)組織特異性，其中白色脂肪組織的特異性基因數(shù)量居首。
有2359個(gè)基因在至少兩種組織中具有差異性。肺和白色脂肪組織具有最大的獨(dú)特共享基因集，主要是免疫相關(guān)途徑富集，表明肺部炎癥減少，白色脂肪組織免疫細(xì)胞募集增加。心臟和腓腸肌具有第二大獨(dú)特共享基因群，其中線粒體代謝途徑富集，包括線粒體融合基因Opa1和Mfn1。此外，22個(gè)基因在所有6個(gè)組織中都受到訓(xùn)練調(diào)控，特別是熱休克反應(yīng)通路顯著富集。
圖2. 多種組織對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)
3. 轉(zhuǎn)錄因子與磷酸化信號(hào)傳導(dǎo)
通過使用蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)錄因子和蛋白質(zhì)翻譯后修飾（PTM）富集分析來(lái)推斷耐力訓(xùn)練引起的轉(zhuǎn)錄因子和磷酸化信號(hào)活動(dòng)的變化。在血液中發(fā)現(xiàn)，與造血相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子如GABPA、ETS1、KLF3和ZNF143增多，表明這些因子可能參與運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的健康益處。在心臟和骨骼肌中，Mef2家族轉(zhuǎn)錄因子特別是MEF2C的富集。
此外，耐力訓(xùn)練導(dǎo)致心臟、腎臟、肺等組織中的關(guān)鍵激酶磷酸化特征改變，例如AKT1、mTOR和MAPK等激酶的活性變化。肝臟中，與肝再生相關(guān)的EGFR1、IGF和HGF的磷酸化特征增加，暗示運(yùn)動(dòng)可能促進(jìn)肝臟再生。在心臟中，某些激酶如SRC和mTOR的活性增加，而AKT1的活性降低，這可能影響心臟的結(jié)構(gòu)重構(gòu)和功能適應(yīng)。
圖3. 耐力訓(xùn)練調(diào)節(jié)的信號(hào)通路
4. 運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的分子中樞
接下來(lái)，作者重點(diǎn)研究了三種橫紋肌（腓腸肌、股外側(cè)肌和心臟）的共同分子反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，到第8周時(shí)，肌肉組織中的多種特征顯示出上調(diào)，且這種反應(yīng)在男性和女性之間保持一致，表明耐力訓(xùn)練可能引發(fā)性別通用的生物學(xué)響應(yīng)。進(jìn)一步通過富集分析發(fā)現(xiàn)，線粒體代謝、生物生成、翻譯和細(xì)胞對(duì)熱應(yīng)激的響應(yīng)增強(qiáng)。
圖4. 分子訓(xùn)練反應(yīng)的時(shí)間模式
5. 性別對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)
在8周時(shí)對(duì)訓(xùn)練調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行免疫通路富集分析，結(jié)果顯示，肌肉和大腦中富集有限，肺和小腸中下調(diào)，僅在雄性動(dòng)物的白色脂肪組織中強(qiáng)烈上調(diào)。此外，男性脂肪組織中特異性上調(diào)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜與外部細(xì)胞分型檢測(cè)的免疫細(xì)胞標(biāo)志物之間存在強(qiáng)烈的正相關(guān)，包括B細(xì)胞、T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞，與血小板、紅細(xì)胞和淋巴組織的相關(guān)性較低。這些數(shù)據(jù)表明免疫細(xì)胞活動(dòng)在男性脂肪組織對(duì)耐力訓(xùn)練的適應(yīng)中具有重要作用。
圖5. 訓(xùn)練誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)
6. 多組織中的線粒體和脂質(zhì)變化
在肝臟中進(jìn)一步通過蛋白質(zhì)組、乙酰化和脂質(zhì)組代謝途徑的調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，肝臟特征大多與線粒體、氨基酸和脂質(zhì)代謝途徑中的蛋白質(zhì)豐度和蛋白質(zhì)乙酰化變化相對(duì)應(yīng)。此外，還觀察到磷脂酰膽堿的增加和三酰基甘油的減少。這些分子適應(yīng)可能構(gòu)成運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的肝臟健康改善機(jī)制的一部分，特別是防止肝內(nèi)脂質(zhì)過度儲(chǔ)存和脂肪變性。
圖6. 訓(xùn)練引起的新陳代謝變化
小結(jié)
本研究涵蓋了19種組織、25種分子平臺(tái)和4個(gè)訓(xùn)練時(shí)間點(diǎn)的9,466項(xiàng)多組學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的共享和組織特異性分子改變，并在多個(gè)組織中發(fā)現(xiàn)了性別差異。本研究突顯了多組學(xué)方法揭示的獨(dú)特訓(xùn)練反應(yīng)，可為未來(lái)有關(guān)運(yùn)動(dòng)如何改善全身和特定組織健康的假設(shè)驅(qū)動(dòng)研究提供支持。
參考文獻(xiàn)
ZMoTrPAC Study Group; Lead Analysts; MoTrPAC Study Group. Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training. Nature. 2024.
請(qǐng)掃描二維碼閱讀原文
繪譜幫你測(cè)
針對(duì)本研究提到的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、脂質(zhì)組、磷酸化蛋白質(zhì)組、乙酰蛋白質(zhì)組，麥特繪譜擁有成熟的檢測(cè)平臺(tái)。此外，麥特繪譜以全定量靶向代謝組學(xué)技術(shù)為核心，包括全球獨(dú)有技術(shù)Q1000、Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸等各類小分子代謝物檢測(cè)方法共40+系列。已為數(shù)百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學(xué)解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計(jì)影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級(jí)期刊。優(yōu)選的檢測(cè)技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報(bào)告及專業(yè)科研級(jí)別的售后探討，助您科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。歡迎聯(lián)系獲取詳細(xì)資料！
END