原創(chuàng) 奇點(diǎn)糕 奇點(diǎn)網(wǎng) 來(lái)自專輯運(yùn)動(dòng)的奧秘都在這了

生命在于運(yùn)動(dòng)。

我們都知道運(yùn)動(dòng)有益健康，例如能提高免疫力、增強(qiáng)心肺功能、改善認(rèn)知能力以及調(diào)節(jié)身體代謝水平等[1]。除了上述好處之外，急性運(yùn)動(dòng)測(cè)試之后，檢測(cè)身體的各項(xiàng)指標(biāo)，還可以發(fā)現(xiàn)一些隱匿在我們身上的疾病[2，3]。

不過(guò)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)究竟是如何給人體帶來(lái)這么些好處的這個(gè)問(wèn)題，目前還沒(méi)有人能從分子層面上把問(wèn)題說(shuō)清楚。

今天，由斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Michael P. Snyder和Francois Haddad領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在頂級(jí)期刊《細(xì)胞》雜志發(fā)表重磅研究成果[4]。

他們從蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)層面，分析了志愿者在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)（約8-12分鐘）之前和之后近18000個(gè)分子的變化。

他們發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)之后的1小時(shí)之內(nèi)，近10000個(gè)涉及能量代謝、氧化應(yīng)激、炎癥、組織修復(fù)、生長(zhǎng)因子反應(yīng)，以及各種調(diào)節(jié)途徑的分子，發(fā)生了劇烈的變化。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)胰島素抵抗的人而言，他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)后免疫反應(yīng)會(huì)受到抑制。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了參與心肺運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的生物通路。

據(jù)了解，這也是科學(xué)家首次如此全面地分析運(yùn)動(dòng)在分子水平上對(duì)人體的影響。

▲ 該圖片由TheOtherKev在Pixabay上發(fā)布

為了完成這項(xiàng)研究，研究人員招募了36名志愿者。這些志愿者年齡在40到75歲之間，BMI為28.4，其中58%是男性，有部分志愿者出現(xiàn)了胰島素抵抗。

這些志愿者在經(jīng)過(guò)一晚的禁食之后，在跑步機(jī)上完成運(yùn)動(dòng)心肺功能測(cè)試（CPX）[5]（實(shí)際完成時(shí)間是6-18分鐘）。Snyder團(tuán)隊(duì)會(huì)在志愿者運(yùn)動(dòng)之前，以及運(yùn)動(dòng)后的2分鐘、15分鐘、30分鐘和60分鐘的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，分別采集血樣并保存。其中有14名志愿者在研究之后的第二天，又各自提供了一份血液，以作為空白對(duì)照。

采集完血樣之后，研究人員就開始了緊鑼密鼓地檢測(cè)分析。他們對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行了深入的多組學(xué)分析，包括血漿的蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和外周血單個(gè)核細(xì)胞（PMBCs）的轉(zhuǎn)錄組學(xué)。

最終一共涉及17662個(gè)分子，其中包括15855個(gè)轉(zhuǎn)錄子，260個(gè)來(lái)自于非靶標(biāo)分析的蛋白質(zhì)，109個(gè)靶標(biāo)蛋白質(zhì)，728個(gè)代謝物和710個(gè)脂質(zhì)。

▲ 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

初步分析顯示，運(yùn)動(dòng)讓9815個(gè)分子的水平在運(yùn)動(dòng)前后發(fā)生了變化，而且這種變化與運(yùn)動(dòng)后的時(shí)間密切相關(guān)。

▲ 不同時(shí)間、不同組別分子的變化情況

緊接著，Snyder和他的同事又分析了運(yùn)動(dòng)在分子水平上對(duì)人體影響的個(gè)體性差異。他們發(fā)現(xiàn)，以靶標(biāo)蛋白為參考，在基線時(shí)，差異最大的分別是脂質(zhì)、代謝物、蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄組，分別是62.0%、46.2%、38.9%和26.9%。運(yùn)動(dòng)之后，差異大小的順序變成蛋白質(zhì)、代謝物、轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)，分別是36.8%、32.1%、27.7%和17.0%。

▲ 運(yùn)動(dòng)影響個(gè)體間的差異

隨后，Snyder團(tuán)隊(duì)先分析了運(yùn)動(dòng)對(duì)脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)分子的影響情況。他們使用c-means聚類分析，將脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)分子分成4個(gè)組群：第一個(gè)組群的分子在運(yùn)動(dòng)后增加，但是迅速恢復(fù)到基線水平；第二個(gè)組群的分子在運(yùn)動(dòng)停止一段時(shí)間后增加，然后恢復(fù)到基線水平；第三個(gè)組群的分子運(yùn)動(dòng)后下降，在1小時(shí)之內(nèi)恢復(fù)到基線水平；第四個(gè)組群的分子在運(yùn)動(dòng)后持續(xù)減少。

此外，他們還劃定了關(guān)鍵的生物過(guò)程，包括早期（能量代謝、氧化應(yīng)激和免疫反應(yīng)）和晚期事件（能量平衡、組織修復(fù)和重塑）。

將上面的兩類信息一整合，就可以產(chǎn)生一個(gè)龐大的關(guān)系網(wǎng)，通過(guò)這個(gè)關(guān)系網(wǎng)，我們就可以一目了然地知道不同生物過(guò)程之間的關(guān)系，甚至能發(fā)現(xiàn)一些分子的新功能。

▲ 四個(gè)組群的基本情況

咱們先來(lái)看看第一個(gè)組群的分子。這個(gè)組群包含196個(gè)分子，主要涉及無(wú)氧代謝、免疫反應(yīng)、氧化應(yīng)激、脂肪酸氧化和復(fù)合脂質(zhì)代謝。Snyder和他的同事認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果和他們預(yù)期的一樣，糖酵解產(chǎn)物（乳酸、丙酮酸）和三羧酸（TCA）循環(huán)中間體（蘋果酸）的血漿濃度急劇增加，這可能反映了厭氧代謝水平的提高。

在氧化應(yīng)激方面，髓過(guò)氧化物酶（MPO）水平增加，它是中性粒細(xì)胞釋放的，預(yù)示著骨骼肌損傷，會(huì)招募巨噬細(xì)胞到受損部位修復(fù)損傷。這大概就是運(yùn)動(dòng)能增強(qiáng)肌肉力量的原因所在吧。

免疫方面，促炎因子IL-6和腫瘤壞死因子α（TNF-α）的分泌增加。而TNF-α與多種細(xì)胞因子、單核細(xì)胞誘導(dǎo)蛋白1等的關(guān)聯(lián)，證實(shí)它的促炎特性。

在脂肪酸氧化方面，酰基肉堿和游離脂肪酸水平的增加表明，脂肪酸氧化被運(yùn)動(dòng)激活。僅僅數(shù)分鐘的運(yùn)動(dòng)，就能燃脂，何樂(lè)而不為啊。

▲ 第一組群分子組成的網(wǎng)絡(luò)

第二個(gè)組群的分子有148個(gè)，它們是在運(yùn)動(dòng)之后一段時(shí)間增加，隨后回到基線水平。這部分分子中的很大一部分與碳水化合物代謝有關(guān)。其中，脂肪酸結(jié)合蛋白3和4（FABP3和FABP4）的水平增加，它們會(huì)促進(jìn)心臟組織和骨骼肌對(duì)葡萄糖和游離脂肪酸的吸收。

此外，研究人員還檢測(cè)到凝血和止血因子的水平增加。如此看來(lái)，人體為了運(yùn)動(dòng)，真是做好了各種準(zhǔn)備。

▲ 第二組群分子組成的網(wǎng)絡(luò)

我們?cè)賮?lái)看看第三個(gè)組群的168個(gè)分子，它們先減少，然后在一小時(shí)內(nèi)恢復(fù)到基線水平。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，竟然是以瘦素和胃泌素這兩種抑制饑餓感的代謝激素為中心。實(shí)際上，之前也有研究表明，運(yùn)動(dòng)之后這兩種激素會(huì)降低。嗯，運(yùn)動(dòng)后真的會(huì)感覺(jué)到餓。

此外，運(yùn)動(dòng)之后體內(nèi)谷氨酸、胱氨酸、色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和甘氨酸這六種氨基酸水平也會(huì)降低，它們有可能被骨骼肌分解以產(chǎn)生能量?？磥?lái)運(yùn)動(dòng)之后，要適當(dāng)補(bǔ)充蛋白。

▲ 第三組群分子組成的網(wǎng)絡(luò)

最后一組包括171個(gè)分子，它們持續(xù)減少，且沒(méi)有恢復(fù)到基線水平。亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸等人體不能合成的支鏈氨基酸（BCAAs）是其中的一員。得補(bǔ)補(bǔ)~

▲ 第四組群分子組成的網(wǎng)絡(luò)

以上就是脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)分子的變化。接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)看看外周血單個(gè)核細(xì)胞代表的免疫系統(tǒng)的變化。

很容易就發(fā)現(xiàn)，人體在運(yùn)動(dòng)之后，免疫系統(tǒng)是被強(qiáng)烈激活的，這與之前的研究基本一致。除了與免疫相關(guān)功能之外，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和遷移的分子也增加了，研究人員認(rèn)為，這些分子可能參與了肌肉組織的修復(fù)和重塑。

還有許多與心血管和止血相關(guān)的信號(hào)途徑也上調(diào)了，這突出了運(yùn)動(dòng)和心血管健康之間的相互聯(lián)系。

▲ 運(yùn)動(dòng)對(duì)免疫能力的影響

最后，Snyder團(tuán)隊(duì)比較了運(yùn)動(dòng)對(duì)16名胰島素抵抗志愿者和14名胰島素敏感志愿者影響的差異。

在調(diào)整了各種混雜因素之后，有2279個(gè)分子的表現(xiàn)出現(xiàn)顯著差異，其中1930個(gè)是外周血單個(gè)核細(xì)胞表達(dá)組的差異。

最終的結(jié)果是，胰島素抵抗志愿者的免疫反應(yīng)較弱，而且與修復(fù)相關(guān)的髓過(guò)氧化物酶增加也較弱。一些參與血管功能、對(duì)缺氧的反應(yīng)和一氧化氮合成的一些心血管通路在胰島素抵抗這體內(nèi)受損。

還有就是胰島素抵抗的人，運(yùn)動(dòng)后許多受運(yùn)動(dòng)影響的主要生物途徑都發(fā)生了改變。例如，脂質(zhì)、碳水化合物和氨基酸代謝，都比胰島素敏感的人差；瘦素和胃泌素減少的水平也比胰島素敏感者低。

對(duì)于胰島素抵抗者而言，有個(gè)好消息是，胰島素的反應(yīng)確實(shí)是更強(qiáng)烈了。

▲ 胰島素抵抗（IR）和胰島素敏感（IS）之間的差異

總的來(lái)說(shuō)，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)的這個(gè)研究提供了海量的數(shù)據(jù)，讓我們對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)人體的影響，有了更清晰的認(rèn)知。其中海量的數(shù)據(jù)，還有待于研究人員進(jìn)一步的挖掘。

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參考資料：

[1].Warburton D E R, Nicol C W, Bredin S S D. Health benefits of physical activity: the evidence[J]. Cmaj, 2006, 174(6): 801-809.

[2].Palange P, Ward S A, Carlsen K H, et al. Recommendations on the use of exercise testing in clinical practice[J]. European Respiratory Journal, 2007, 29(1): 185-209.

[3].Arena R, Sietsema K E. Cardiopulmonary exercise testing in the clinical evaluation of patients with heart and lung disease[J]. Circulation, 2011, 123(6): 668-680.

[4].Contrepois K, Wu S, Moneghetti K J, et al. Molecular Choreography of Acute Exercise[J]. Cell, 2020.

[5].Myers J, Froelicher V F. Exercise testing: procedures and implementation[J]. Cardiology clinics, 1993, 11(2): 199-213.

本文作者 | BioTalker

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