《细胞》：运动10分钟左右就能让身体近10000个分子大变样

原创 奇点糕 奇点网 来自专辑运动的奥秘都在这了 生命在于运动。 我们都知道运动有益健康，例如能提高免疫力、增强心肺功能、改善认知能力以及调节身体代谢水平等[1]。除了上述好处之外，急性运动测试之后，检测身体的各项指标，还可以发现一些隐匿在我们身上的疾病[2，3]。 不过，对于运动究竟是如何给人体带来这么些好处的这个问题，目前还没有人能从分子层面上把问题说清楚。 今天，由斯坦福大学医学院Michael P. Snyder和Francois Haddad领衔的研究团队，在顶级期刊《细胞》杂志发表重磅研究成果[4]。 他们从蛋白组学、代谢组学、脂质组学和转录组学层面，分析了志愿者在跑步机上运动（约8-12分钟）之前和之后近18000个分子的变化。 他们发现，在运动之后的1小时之内，近10000个涉及能量代谢、氧化应激、炎症、组织修复、生长因子反应，以及各种调节途径的分子，发生了剧烈的变化。对于已经出现胰岛素抵抗的人而言，他们在运动后免疫反应会受到抑制。此外，他们还发现了参与心肺运动反应的生物通路。 据了解，这也是科学家首次如此全面地分析运动在分子水平上对人体的影响。 ▲ 该图片由TheOtherKev在Pixabay上发布 为了完成这项研究，研究人员招募了36名志愿者。这些志愿者年龄在40到75岁之间，BMI为28.4，其中58%是男性，有部分志愿者出现了胰岛素抵抗。 这些志愿者在经过一晚的禁食之后，在跑步机上完成运动心肺功能测试（CPX）[5]（实际完成时间是6-18分钟）。Snyder团队会在志愿者运动之前，以及运动后的2分钟、15分钟、30分钟和60分钟的时间节点上，分别采集血样并保存。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，以作为空白对照。 采集完血样之后，研究人员就开始了紧锣密鼓地检测分析。他们对每个样本进行了深入的多组学分析，包括血浆的蛋白组学、代谢组学、脂质组学和外周血单个核细胞（PMBCs）的转录组学。 最终一共涉及17662个分子，其中包括15855个转录子，260个来自于非靶标分析的蛋白质，109个靶标蛋白质，728个代谢物和710个脂质。 ▲ 实验设计流程 初步分析显示，运动让9815个分子的水平在运动前后发生了变化，而且这种变化与运动后的时间密切相关。 ▲ 不同时间、不同组别分子的变化情况 紧接着，Snyder和他的同事又分析了运动在分子水平上对人体影响的个体性差异。他们发现，以靶标蛋白为参考，在基线时，差异最大的分别是脂质、代谢物、蛋白质和转录组，分别是62.0%、46.2%、38.9%和26.9%。运动之后，差异大小的顺序变成蛋白质、代谢物、转录组和脂质，分别是36.8%、32.1%、27.7%和17.0%。 ▲ 运动影响个体间的差异 随后，Snyder团队先分析了运动对脂质、代谢物和蛋白质分子的影响情况。他们使用c-means聚类分析，将脂质、代谢物和蛋白质分子分成4个组群：第一个组群的分子在运动后增加，但是迅速恢复到基线水平；第二个组群的分子在运动停止一段时间后增加，然后恢复到基线水平；第三个组群的分子运动后下降，在1小时之内恢复到基线水平；第四个组群的分子在运动后持续减少。 此外，他们还划定了关键的生物过程，包括早期（能量代谢、氧化应激和免疫反应）和晚期事件（能量平衡、组织修复和重塑）。 将上面的两类信息一整合，就可以产生一个庞大的关系网，通过这个关系网，我们就可以一目了然地知道不同生物过程之间的关系，甚至能发现一些分子的新功能。 ▲ 四个组群的基本情况 咱们先来看看第一个组群的分子。这个组群包含196个分子，主要涉及无氧代谢、免疫反应、氧化应激、脂肪酸氧化和复合脂质代谢。Snyder和他的同事认为，这个结果和他们预期的一样，糖酵解产物（乳酸、丙酮酸）和三羧酸（TCA）循环中间体（苹果酸）的血浆浓度急剧增加，这可能反映了厌氧代谢水平的提高。 在氧化应激方面，髓过氧化物酶（MPO）水平增加，它是中性粒细胞释放的，预示着骨骼肌损伤，会招募巨噬细胞到受损部位修复损伤。这大概就是运动能增强肌肉力量的原因所在吧。 免疫方面，促炎因子IL-6和肿瘤坏死因子α（TNF-α）的分泌增加。而TNF-α与多种细胞因子、单核细胞诱导蛋白1等的关联，证实它的促炎特性。 在脂肪酸氧化方面，酰基肉碱和游离脂肪酸水平的增加表明，脂肪酸氧化被运动激活。仅仅数分钟的运动，就能燃脂，何乐而不为啊。 ▲ 第一组群分子组成的网络 第二个组群的分子有148个，它们是在运动之后一段时间增加，随后回到基线水平。这部分分子中的很大一部分与碳水化合物代谢有关。其中，脂肪酸结合蛋白3和4（FABP3和FABP4）的水平增加，它们会促进心脏组织和骨骼肌对葡萄糖和游离脂肪酸的吸收。 此外，研究人员还检测到凝血和止血因子的水平增加。如此看来，人体为了运动，真是做好了各种准备。 ▲ 第二组群分子组成的网络 我们再来看看第三个组群的168个分子，它们先减少，然后在一小时内恢复到基线水平。在这个网络里，竟然是以瘦素和胃泌素这两种抑制饥饿感的代谢激素为中心。实际上，之前也有研究表明，运动之后这两种激素会降低。嗯，运动后真的会感觉到饿。 此外，运动之后体内谷氨酸、胱氨酸、色氨酸、丝氨酸、苏氨酸和甘氨酸这六种氨基酸水平也会降低，它们有可能被骨骼肌分解以产生能量。看来运动之后，要适当补充蛋白。 ▲ 第三组群分子组成的网络 最后一组包括171个分子，它们持续减少，且没有恢复到基线水平。亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸等人体不能合成的支链氨基酸（BCAAs）是其中的一员。得补补~ ▲ 第四组群分子组成的网络 以上就是脂质、代谢物和蛋白质分子的变化。接下来，我们再来看看外周血单个核细胞代表的免疫系统的变化。 很容易就发现，人体在运动之后，免疫系统是被强烈激活的，这与之前的研究基本一致。除了与免疫相关功能之外，促进细胞生长和迁移的分子也增加了，研究人员认为，这些分子可能参与了肌肉组织的修复和重塑。 还有许多与心血管和止血相关的信号途径也上调了，这突出了运动和心血管健康之间的相互联系。 ▲ 运动对免疫能力的影响 最后，Snyder团队比较了运动对16名胰岛素抵抗志愿者和14名胰岛素敏感志愿者影响的差异。 在调整了各种混杂因素之后，有2279个分子的表现出现显著差异，其中1930个是外周血单个核细胞表达组的差异。 最终的结果是，胰岛素抵抗志愿者的免疫反应较弱，而且与修复相关的髓过氧化物酶增加也较弱。一些参与血管功能、对缺氧的反应和一氧化氮合成的一些心血管通路在胰岛素抵抗这体内受损。 还有就是胰岛素抵抗的人，运动后许多受运动影响的主要生物途径都发生了改变。例如，脂质、碳水化合物和氨基酸代谢，都比胰岛素敏感的人差；瘦素和胃泌素减少的水平也比胰岛素敏感者低。 对于胰岛素抵抗者而言，有个好消息是，胰岛素的反应确实是更强烈了。 ▲ 胰岛素抵抗（IR）和胰岛素敏感（IS）之间的差异 总的来说，斯坦福大学医学院团队的这个研究提供了海量的数据，让我们对运动对人体的影响，有了更清晰的认知。其中海量的数据，还有待于研究人员进一步的挖掘。 如果你想了解更多的信息，就点击文末“阅读原文”去看看论文吧。