景杰學(xué)術(shù)| 解讀

▼生物信息學(xué)習(xí)的正確姿勢（第三版）

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眾所周知，運(yùn)動有益健康，運(yùn)動不僅能夠提高機(jī)體免疫力、增強(qiáng)心肺功能、改善認(rèn)知能力等，還能對代謝和免疫等生理過程帶來立竿見影的改變。不過，對于運(yùn)動究竟是如何給人體帶來這么些好處的這個問題，目前還沒有分子層面的答案。

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2020年5月28日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊Cell以封面文章的形式發(fā)表了題為"Molecular Choreography of Acute Exercise"的最新研究。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Michael P. Snyder和Francois Haddad領(lǐng)銜的合作研究團(tuán)隊，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，首次全面地分析運(yùn)動在分子水平上對人體的影響。研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動之后，近10000個涉及能量代謝、氧化應(yīng)激、炎癥、組織修復(fù)、生長因子反應(yīng)，以及各種調(diào)節(jié)途徑的分子，發(fā)生了劇烈的變化。

1、實(shí)驗(yàn)與分析流程

該項研究共招募了36名年齡在40到75歲之間的志愿者，在經(jīng)過一晚的禁食之后，在跑步機(jī)上進(jìn)行有氧運(yùn)動。研究團(tuán)隊在志愿者跑步前抽取了血樣，作為與運(yùn)動后進(jìn)行對比的參照標(biāo)準(zhǔn)。并在志愿者達(dá)到了峰值耗氧量后（跑了8~12分鐘）的2分鐘、15分鐘、30分鐘和60分鐘采集其血液樣本（樣本策略）。

研究人員隨后對采集到的血液樣本，進(jìn)行了深入的多組學(xué)分析，包括血漿的蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和外周血單個核細(xì)胞（PMBCs）的轉(zhuǎn)錄組學(xué)（組學(xué)策略）。研究一共涉及17662個分子，其中包括15855個轉(zhuǎn)錄子，260個來自于非靶向分析的蛋白質(zhì)，109個靶向定量蛋白質(zhì)，728個代謝物和710個脂質(zhì)。

圖1、實(shí)驗(yàn)和分析流程示意圖

2、運(yùn)動對人體影響的個體間差異分析

研究人員首先分析了運(yùn)動對人體影響的個體性差異，研究發(fā)現(xiàn)，以靶標(biāo)蛋白為參考，在基線時，差異最大的分別是脂質(zhì)（62.0%）、代謝物（46.2%）、蛋白質(zhì)（38.9%）和轉(zhuǎn)錄組（26.9%）。運(yùn)動之后，差異大小的順序變成蛋白質(zhì)（36.8%）、代謝物（32.1%）、轉(zhuǎn)錄組（27.7%）和脂質(zhì)（17.0%）。

圖2、運(yùn)動對人體影響的個體間差異

3、運(yùn)動對脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)分子的影響

定量分析顯示，運(yùn)動讓9815個分子的水平在運(yùn)動前后發(fā)生了變化，分子的變化與運(yùn)動后的時間密切相關(guān)。運(yùn)動后的早期，關(guān)鍵的生物過程主要包括能量代謝、氧化應(yīng)激和免疫反應(yīng)，而運(yùn)動后的晚期則為能量平衡、組織修復(fù)和重塑。

圖3、急性運(yùn)動引起的多組學(xué)變化

研究人員進(jìn)一步使用c-means聚類分析，將脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)根據(jù)變化趨勢不同，分成4個集群：第一個集群的分子在運(yùn)動后增加，但是迅速恢復(fù)到基線水平；第二個集群的分子在運(yùn)動停止一段時間后增加，然后恢復(fù)到基線水平；第三個集群的分子運(yùn)動后下降，在1小時之內(nèi)恢復(fù)到基線水平；第四個集群的分子在運(yùn)動后持續(xù)減少。

圖4、運(yùn)動對脂質(zhì)、代謝物和蛋白質(zhì)分子的影響

第一個集群包含196個分子，主要涉及無氧代謝、免疫反應(yīng)、氧化應(yīng)激、脂肪酸氧化和復(fù)合脂質(zhì)代謝。結(jié)果表明，運(yùn)動后短時間內(nèi)，厭氧代謝水平就能夠發(fā)生顯著提高，脂肪酸氧化被運(yùn)動激活，身體快速“燃脂”。同時過氧化物酶（MPO）水平增加，預(yù)示著骨骼肌損傷，招募巨噬細(xì)胞到受損部位修復(fù)損傷，從而增強(qiáng)肌肉力量。

第二個集群的分子有148個，很大一部分與碳水化合物代謝有關(guān)。它們在運(yùn)動之后一段時間增加，隨后回到基線水平。如脂肪酸結(jié)合蛋白3和4（FABP3和FABP4）的水平增加，它們會促進(jìn)心臟組織和骨骼肌對葡萄糖和游離脂肪酸的吸收。

第三個集群包含168個分子，以瘦素和胃饑餓素這兩種代謝激素為中心。它們先減少，然后在一小時內(nèi)恢復(fù)到基線水平，解答了運(yùn)動后短時間內(nèi)饑餓感減弱，之后“胃口大開”的謎題。此外，運(yùn)動之后體內(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降低。說明運(yùn)動中機(jī)體可能通過代謝氨基酸來產(chǎn)生能量，也提示我們運(yùn)動之后要適當(dāng)補(bǔ)充蛋白。

最后一組包括171個分子，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，它們持續(xù)減少，且沒有恢復(fù)到基線水平。

除此之外，研究人員還通過實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)了，人體在運(yùn)動之后免疫系統(tǒng)被強(qiáng)烈激活，同時有許多與心血管和止血相關(guān)的信號途徑也顯著上調(diào)，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了運(yùn)動和免疫與心血管健康之間的相互聯(lián)系。研究還發(fā)現(xiàn)對于胰島素抵抗志愿者，由于無法正常處理葡萄糖代謝，運(yùn)動后免疫反應(yīng)、脂質(zhì)、碳水化合物和氨基酸代謝等主要生物途徑變化相對健康人群較弱，為理解胰島素抵抗的病理生理學(xué)提供了新的洞見。

圖5、胰島素抵抗（IR）和胰島素敏感（IS）之間的差異

總之，該研究從蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)層面，首次全面地分析運(yùn)動在分子水平上對人體的影響，涉及能量代謝、炎癥、氧化應(yīng)激、組織修復(fù)和心血管反應(yīng)等各個方面。研究結(jié)果為運(yùn)動后發(fā)生的分子生理改變提供了全景式的描述，對于個體化運(yùn)動的分析和評測，具有重要的啟示意義。

圖6、 研究主要結(jié)論

參考文獻(xiàn)

Kévin?Contrepois,?et al.,?2020,?Molecular Choreography?of?Acute?Exercise.?Cell.

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Cell封面文章：跑步短短10分钟，身体近10000个分子大变样！蛋白组学破解运动有益健康之谜...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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