运动对全身分子级的变革！Nature | 新研究在细胞水平上揭示锻炼对大鼠所有器官的影响

运动对健康的益处众所周知，但是一项新的研究表明：身体对运动的反应远比我们想象的更加深邃和精妙。

在这项针对大鼠的研究中，来自美国体育活动分子传感器联盟（Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, MoTrPAC）的研究人员发现，体育锻炼会引发 19 种大鼠器官中的细胞和分子变化。相关研究结果发表在2024年5月2日的Nature期刊上，论文标题为“Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training”。

运动可以降低许多疾病的风险，但以往研究大多聚焦于单一维度，科学家们仍不完全了解运动如何在分子水平上改变身体。

为了更全面地了解运动的生物学特性，MoTrPAC通过跨学科合作，对大鼠进行长达数周的高强度训练，运用高科技手段详尽分析了从心脏到大脑、肺部等各大器官的广泛变化。

结果显示，运动不仅调节免疫、减压，还触及与心脏病、炎症性肝病及组织修复相关的深层机制。这些数据为许多不同的人体健康状况提供了潜在的线索，例如，研究人员找到了运动时肝脏脂肪减少的可能原因，这可能有助于开发治疗非酒精性脂肪肝的新方法。他们希望他们的发现有朝一日能用于根据个人的健康状况调整运动量，或为无法进行运动的人开发模拟体育锻炼效果的治疗方法。他们已经开始对人们进行研究，以跟踪运动的分子效应。

MoTrPAC于2016年启动，汇集了来自布罗德研究所、斯坦福大学、美国国家卫生研究院和其他机构的科学家，旨在揭示运动对健康有益的生物过程。

布罗德研究所蛋白质组学平台高级主任Steve Carr说，“具有不同科学背景的科学家们齐心协力，才产生并整合了大量高质量的数据。这是第一张研究运动对多种不同器官影响的全器官图。所产生的资源将具有极大的价值，而且已经产生了许多潜在的新生物学见解，可供进一步探索。”

这些研究人员在一个在线公共资料库中提供了他们在大鼠实验中获得的所有数据。例如，其他科学家可以使用该网站下载雌性大鼠在跑步机上定期运动八周后肺部蛋白丰度变化的信息，或者雌雄大鼠所有器官中 RNA 随运动时间的变化趋势。

全身分析

进行如此大规模和详细的研究需要大量的计划。布罗德研究所代谢组学平台高级主任Clary Clish说，“参与这项研究的所有实验室必须进行大量的协调工作。”

爱荷华大学卡弗医学院的Sue Bodine团队收集了训练长达八周后的动物组织样本，MoTrPAC 团队的其他成员与Bodine合作，将样本分开，这样每个实验室都研究几乎相同的样本。

Carr团队的计算科学家Natalie Clark说，“很多大规模研究只关注一两种数据类型。但在这篇论文中，我们对相同的组织进行了多种不同的实验，这让我们对运动生物学的理解有了重大的飞跃。”

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-023-06877-w

研究人员总共进行了近 1 万次测试，对血液和 18种实体组织进行了约 1500 万次测量。他们发现，运动对数千种分子产生了影响，其中肾上腺中的变化最为剧烈；肾上腺分泌的激素可以调节免疫、代谢和血压等许多重要过程。他们在多种器官中发现了性别差异，特别是与免疫反应有关的性别差异。大多数女雌性特有的免疫信号分子的水平在训练一到两周之间发生了变化，而雄性的免疫信号分子的水平在四到八周之间出现了差异。

有些反应在不同性别和器官之间是一致的。例如，他们发现，细胞在应对压力时产生的热休克蛋白在不同组织中的调节方式相同。但其他一些发现则具有组织特异性。

让他们惊讶的是，Carr团队发现，参与能量产生的线粒体蛋白乙酰化增加，以及调节能量储存的磷酸化信号增加，这两种情况在运动过程中，都在肝脏的分子层面发生了变化。这些变化可以帮助肝脏减少脂肪含量，并在运动时不易患病，也为科学家们提供未来治疗非酒精性脂肪肝的蛋白靶标。

布罗德研究所蛋白质组学平台的Pierre M. Jean-Beltran说，“尽管肝脏并不直接参与运动，但它仍然会发生变化，从而改善健康状况。没人想到我们会在运动训练后在肝脏中看到这些乙酰化和磷酸化变化。这也凸显了我们采用所有这些不同分子模式的原因——运动是一个非常复杂的过程，而这只是冰山一角。”

Carr团队的高级组长Hasmik Keshishian补充说，“两代或三代研究人员在这个联合项目中逐渐成熟，了解了精心设计研究和处理样本的意义。如今我们看到了我们的工作成果：我们和其他人生成的高质量数据正在产生具有生物洞察力的发现，这真的很有成就感。”

MoTrPAC联盟在同期Nature期刊上发表的其他论文还涉及对不同组织中的脂肪和线粒体对运动的反应进行了深入研究。

此外，MoTrPAC联盟还在这些论文中研究运动对年轻成年大鼠和老年大鼠的影响，以及 30 分钟体育锻炼的短期效果。

该联盟还开始了人体研究，目前正在招募约 1500 名不同年龄、性别、血统和活动水平的人参加一项临床试验，以研究耐力运动（endurance exercise）和抗阻运动（resistance exercise）对儿童和成人的影响。

参考资料：

Stephen Montgomery et al. Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-023-06877-w.

Nikolai G. Vetr et al. The impact of exercise on gene regulation in association with complex trait genetics. Nature, 2024, doi:10.1038/s41467-024-45966-w.

Gina M. Many et al. Sexual dimorphism and the multi-omic response to exercise training in rat subcutaneous white adipose tissue. Nature, 2024, doi:10.1038/s42255-023-00959-9.

Scientists work out the effects of exercise at the cellular level
https://www.broadinstitute.org/news/scientists-work-out-effects-exercise-cellular-level