研究明确证实，肌肉活动、燃烧卡路里的活动可以减缓疾病的进展，改善认知功能，增强免疫系统，并降低各种原因的死亡率。

科学家们现在通过在分子水平上研究运动的影响，更深入地研究运动对人类和其他哺乳动物的影响。他们的目标是在最小的范围内揭示运动的影响，并更好地了解身体在健康和疾病状态下如何运作。

分子是原子簇。它们代表可以参与化学反应的化合物的最小单元。蛋白质、碳水化合物、脂质(脂肪)和核酸中的化学反应——控制每个器官系统内部运作的“组学”(细胞成分)。

运动似乎以一种人们知之甚少的方式改变了这些分子主力。然而，识别这些变化将为所有人带来临床益处，无论其年龄、性别、身体成分或健康水平如何。

MoTrPAC的起源

2016年底，为了更多地了解运动引起的分子水平变化，美国国立卫生研究院共同基金开始支持扩大研究，以绘制运动如何帮助维持健康组织和器官系统的最小细节。这导致建立了一个名为“身体活动分子传感器联盟”(MoTrPAC)的国家协作专家组。

从一开始，太平洋西北国家实验室(PNNL)在生物化学家JoshAdkins和Wei-JunQi的指导下，一直是MoTrPAC的全国动物和人类运动、生物分子分析和生物信息学专业中心之一。

该联盟的生物分子分析中心使用组学方法在全身水平上分析基因、蛋白质或其他生物分子。MoTrPAC的最终目标是创建人类和动物模型运动反应的分子图谱。从肌肉到分子，这样的图谱将有助于揭示运动如何影响健康。

“能够看到体内各个器官的广泛分子反应的能力特别令人感兴趣，”分子图谱研究的钱说。“这些知识可能是锻炼的强大动力。”

强调蛋白质组学

PNNL在MoTrPAC中的主要作用是研究运动引起的蛋白质变化和翻译后修饰(PTM)。蛋白质由氨基酸链组成，氨基酸链折叠成三维结构，然后调节组织和器官的结构和功能。PTM是通过化学修饰给定蛋白质内的特定氨基酸来改变蛋白质功能的处理事件。研究样品中所有可检测蛋白质及其PTM的变化称为蛋白质组学。

“我们从一开始就一直是该联盟研究设计的核心，重点是蛋白质组学，”阿德金斯说。他承认了一个重要的合作伙伴：史蒂文·卡尔(StevenCarr)和他在布罗德研究所(由哈佛大学和麻省理工学院领导的研究中心)的蛋白质组学小组。

绘图挑战

在《细胞》杂志的2020年透视综述中，阿德金斯和PNNL生物医学科学家詹姆斯·桑福德与其他合著者一起描述了分子“串扰”，这是一种由多种组织之间的运动引发的化学电报。该研究还概述了绘制此类分子交换图谱的重要性。

Cell论文还介绍了公共MoTrPAC数据集的想法，以帮助发现运动益处背后的隐藏机制。现在它正在蓬勃发展和成长。该数据集的首席分析师之一是PNNL化学家PaulPiehowski。

对于Adkins、Qian和PNNLMoTrPAC团队的其他人来说，蛋白质组学研究依赖于环境分子科学实验室(EMSL)的仪器，该实验室是位于PNNL校园的能源部科学办公室用户设施。EMSL的功能包括一系列高端轨道阱质谱仪。他们进行的分析有助于识别和量化各种组织类型和样本中的蛋白质和其他分子。

MoTrPAC“范围巨大”，阿德金斯说。“PNNL的运营规模使我们能够以非常高的质量和高运营可重复性开展如此规模的工作。”他称PNNL-EMSL在MoTrPAC中的作用是“蛋白质组学研究的杰作。以前很少有人进行过如此规模的研究。”

第一篇主要论文

MoTrPAC全国研究人员于2024年5月2日在《自然》杂志上发表了一项研究。该联盟发表的第一篇重要论文提供了第一个耐力运动训练分子反应的全有机体图谱。

该实验的模型生物是大鼠。同一物种的雄性和雌性大鼠在电动跑步机上跑步1、2、4和8周。作为对照，研究人员使用久坐、未经训练的老鼠，与运动的老鼠进行性配对。

在每个训练间隔的48小时内，研究人员收集了全血、血浆和18个实体组织样本，并将它们分散到PNNL等组学中心进行深入分析。

阿德金斯说，在众多样本中，“我们希望了解器官系统的整合。”《自然》论文的作者表示，身体对耐力训练的分子反应是全系统的——通过将组织样本整合到一系列组学分析中证实了这一结论。

其他结果进行了更精细的调整。例如，运动可以增强肝脏健康和新陈代谢。它还可以重塑和强化心脏结构，改善与肠道完整性相关的途径(肠道健康与全身炎症有关)，丰富免疫途径，并减少肺部和小肠的炎症。重要的是，作者指出，在训练反应中观察到的性别差异凸显了将两性纳入运动研究的重要性。

老鼠与人类的问题

将大鼠数据转化为与人类相关的结论具有挑战性。然而，大鼠是首选的动物模型，因为大鼠与人类骨骼肌和器官系统信号传导模式相似。运动引起的葡萄糖代谢和心脏反应也是如此。此外，大鼠的大组织块为多组学分析提供了比小鼠更好的样本。

“这些数据将帮助我们将老鼠的知识带入人类领域，”阿德金斯说。

为了帮助缩小大鼠与人类之间的数据差距，MoTrPAC联盟正在进行一项运动反应实验，该实验记录了2,000名成年志愿者对耐力训练和阻力训练的分子反应。

见解，更多内容即将推出

最近发表在《自然》杂志上的论文提供了阿德金斯所说的多中心国家MoTrPAC研究的“全景图”。与此同时，其他正在进行的研究正在对联盟数据采取更狭隘和更详细的看法。PNNL的桑福德是一个研究小组的成员，该研究小组展示了多组学如何帮助识别在运动过程中发挥作用的关键基因调控程序。

桑福德团队正在研究数千个观察到的分子变化。其中包括运动如何调节与线粒体变化、热休克反应、免疫调节和其他分子过程相关的基因表达。

桑福德还与PNNL生物结构和功能生物化学家GinaMany和PNNL数据科学家TylerSagendorf一起分析跑步大鼠数据，以研究白色脂肪组织反应中的性别二态性。

白色脂肪是一种储存和分泌器官系统，与肥胖、心血管疾病、2型糖尿病、癌症和其他疾病的发生有关。这种脂肪类型还对免疫系统和维持全身健康的其他生物过程具有重要影响。

到目前为止，分析似乎表明，在大鼠中，两性之间的白色脂肪组织反应存在“显着”差异。虽然体能训练对雌雄大鼠都有好处，但只有雄性大鼠对运动的反应是减少白色脂肪组织。对于雌性老鼠来说，运动可以防止它们增加脂肪量。

这种针对性狭窄的研究使用MoTrPAC数据集来寻找有关运动如何影响个体组织或特定生物过程的见解。

例如，MoTrPAC正在进行的一项研究着眼于运动如何影响基因转录。这是将信息从DNA链复制到称为信使RNA(mRNA)的分子上的过程，该分子将遗传信息传递到细胞中制造蛋白质的区域。正在进行的研究的另一个例子涉及运动对线粒体反应的影响。线粒体存在于哺乳动物细胞中，调节能量产生和应激反应。

Adkins表示，每一项基于MoTrPAC数据不同方面的小型研究“都是更大愿景的一部分。”该联盟的愿景是：绘制运动后身体的分子变化图。

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