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

景杰学术| 解读

众所周知，运动有益健康，运动不仅能够提高机体免疫力、增强心肺功能、改善认知能力等，还能对代谢和免疫等生理过程带来立竿见影的改变。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，目前还没有分子层面的答案。

2020年5月28日，国际顶级学术期刊Cell以封面文章的形式发表了题为"Molecular Choreography of Acute Exercise"的最新研究。斯坦福大学医学院Michael P. Snyder和Francois Haddad领衔的合作研究团队，从蛋白组学、代谢组学、脂质组学和转录组学层面，首次全面地分析运动在分子水平上对人体的影响。研究发现运动之后，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。

1、实验与分析流程

该项研究共招募了36名年龄在40到75岁之间的志愿者，在经过一晚的禁食之后，在跑步机上进行有氧运动。研究团队在志愿者跑步前抽取了血样，作为与运动后进行对比的参照标准。并在志愿者达到了峰值耗氧量后（跑了8~12分钟）的2分钟、15分钟、30分钟和60分钟采集其血液样本（样本策略）。

研究人员随后对采集到的血液样本，进行了深入的多组学分析，包括血浆的蛋白质组学、代谢组学、脂质组学和外周血单个核细胞（PMBCs）的转录组学（组学策略）。研究一共涉及17662个分子，其中包括15855个转录子，260个来自于非靶向分析的蛋白质，109个靶向定量蛋白质，728个代谢物和710个脂质。

图1、实验和分析流程示意图

2、运动对人体影响的个体间差异分析

研究人员首先分析了运动对人体影响的个体性差异，研究发现，以靶标蛋白为参考，在基线时，差异最大的分别是脂质（62.0%）、代谢物（46.2%）、蛋白质（38.9%）和转录组（26.9%）。运动之后，差异大小的顺序变成蛋白质（36.8%）、代谢物（32.1%）、转录组（27.7%）和脂质（17.0%）。

图2、运动对人体影响的个体间差异

3、运动对脂质、代谢物和蛋白质分子的影响

定量分析显示，运动让9815个分子的水平在运动前后发生了变化，分子的变化与运动后的时间密切相关。运动后的早期，关键的生物过程主要包括能量代谢、氧化应激和免疫反应，而运动后的晚期则为能量平衡、组织修复和重塑。

图3、急性运动引起的多组学变化

研究人员进一步使用c-means聚类分析，将脂质、代谢物和蛋白质根据变化趋势不同，分成4个集群：第一个集群的分子在运动后增加，但是迅速恢复到基线水平；第二个集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；第三个集群的分子运动后下降，在1小时之内恢复到基线水平；第四个集群的分子在运动后持续减少。

图4、运动对脂质、代谢物和蛋白质分子的影响

第一个集群包含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。结果表明，运动后短时间内，厌氧代谢水平就能够发生显著提高，脂肪酸氧化被运动激活，身体快速“燃脂”。同时过氧化物酶（MPO）水平增加，预示着骨骼肌损伤，招募巨噬细胞到受损部位修复损伤，从而增强肌肉力量。

第二个集群的分子有148个，很大一部分与碳水化合物代谢有关。它们在运动之后一段时间增加，随后回到基线水平。如脂肪酸结合蛋白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。

第三个集群包含168个分子，以瘦素和胃饥饿素这两种代谢激素为中心。它们先减少，然后在一小时内恢复到基线水平，解答了运动后短时间内饥饿感减弱，之后“胃口大开”的谜题。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。说明运动中机体可能通过代谢氨基酸来产生能量，也提示我们运动之后要适当补充蛋白。

最后一组包括171个分子，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，它们持续减少，且没有恢复到基线水平。

除此之外，研究人员还通过实验分析证实了，人体在运动之后免疫系统被强烈激活，同时有许多与心血管和止血相关的信号途径也显著上调，研究结果强调了运动和免疫与心血管健康之间的相互联系。研究还发现对于胰岛素抵抗志愿者，由于无法正常处理葡萄糖代谢，运动后免疫反应、脂质、碳水化合物和氨基酸代谢等主要生物途径变化相对健康人群较弱，为理解胰岛素抵抗的病理生理学提供了新的洞见。

图5、胰岛素抵抗（IR）和胰岛素敏感（IS）之间的差异

总之，该研究从蛋白组学、代谢组学、脂质组学和转录组学层面，首次全面地分析运动在分子水平上对人体的影响，涉及能量代谢、炎症、氧化应激、组织修复和心血管反应等各个方面。研究结果为运动后发生的分子生理改变提供了全景式的描述，对于个体化运动的分析和评测，具有重要的启示意义。

图6、 研究主要结论

参考文献

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

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