חוקרים מזהים שינויים מולקולריים מרכזיים מפעילות גופנית סיבולת שיכולים להילחם במחלות כרוניות

מחקר שפורסם לאחרונה ב-Nature הציג מפה מולקולרית של אורגניזם שלם של ההשפעות הזמניות של אימוני סיבולת בחולדות.

לימוד: דינמיקה טמפורלית של התגובה המולטי-אומית לאימון תרגילי סיבולת. קרדיט תמונה: Min C. Chiu/Shutterstock.com

רקע כללי

לפעילות גופנית סדירה יש מספר יתרונות, כגון סיכון נמוך יותר לסרטן, מחלות נוירולוגיות וקרדיומטבוליות ותמותה מכל הסיבות. פעילות גופנית משפיעה כמעט על כל מערכות האיברים, כאשר השפעות מועילות מתרחשות עקב התאמות מולקולריות/תאיות על פני ובתוך רקמות ומערכות איברים.

כמה פלטפורמות אומיות (אומים), כמו אפיגנומיקה, טרנסקריפטומיקה, מטבולומיקה ופרוטאומיקה, נוצלו כדי לחקור אירועים אלה.

עם זאת, מחקרים התמקדו לעתים קרובות ברקמה אחת המכסה אומם אחד או שניים והיו מוטים. נדרשת מפה מקיפה, בעלת אורגניזם שלם, רב-אומית של השפעות האימון.

לשם כך, קונסורציום מתמרים מולקולריים של פעילות גופנית הוקם כדי לבנות מפה מולקולרית של תגובות לפעילות גופנית על פני רקמות מגוונות בבעלי חיים ודם, רקמת השומן ושריר השלד בבני אדם.

המחקר והממצאים

המחקר הנוכחי הציג מפה מולקולרית לכל אורגניזם של השפעות/תגובות של אימון סיבולת של חולדות. ראשית, 344 חולדות היו נתונים להתעמלות מתקדמת בהליכון (אימוני סיבולת) במשך שבוע, שבועיים, ארבעה או שמונה שבועות. הרקמות נאספו 48 שעות לאחר קרב האימון האחרון. חולדות בישיבה תואמות מין, לא מאומנות, שימשו כביקורת.

אימונים הובילו לשינויים פנוטיפיים חזקים, והגדילו את היכולת האירובית ב-16% ו-18% בחולדות וזכרים, בהתאמה, לאחר שמונה שבועות.

שומן הגוף הופחת ב-5% אצל גברים לאחר שמונה שבועות, ללא שינויים משמעותיים במסה הרזה. אחוז השומן בגוף לא השתנה אצל נשים לאחר ארבעה או שמונה שבועות של אימונים.

דם מלא, 18 רקמות מוצקות ופלזמה נותחו באמצעות טכנולוגיות מולטי-אומיות. מבחני מולקולרי קיבלו עדיפות לפי רלוונטיות ביולוגית וכמות רקמה (זמינה).

בסך הכל, 9,466 מבחני בוצעו על פני 211 שילובי רקמות ופלטפורמות מולקולריות, מה שהוביל ליותר מ-0.6 מיליון מדידות לא אפיגנטיות ו-14.3 מיליון אפיגנטיות.

מולקולות מווסתות אימון נצפו ברוב הרקמות עבור כל האומה. עבור transcriptomics, הווריד הנבוב, האשכים, קליפת המוח וההיפותלמוס היו בעלי הכי מעט גנים מווסתים אימון, בעוד שלדם, המעי הגס, בלוטת יותרת הכליה ורקמות השומן היו השפעות נרחבות.

עבור פרוטאומיקה, הלב, הכבד והגסטרוקנמיוס היו בעלי ויסות דיפרנציאלי משמעותי בשפע החלבון ובשינויים לאחר תרגום.

עבור מטבולומיקה, כל הרקמות הציגו באופן עקבי את המטבוליטים הדיפרנציאליים ביותר. לאחר מכן, שש רקמות (כליה, ריאה, רקמת שומן לבנה, גסטרוקנמיוס, לב וכבד) עם פרופיל מולקולרי נרחב נבחרו להערכת ביטוי גנים מגיב לאימון.

בסך הכל, 11,407 מאפיינים דיפרנציאליים מופו עבור 7,115 גנים ייחודיים. בסביבות 67% מהגנים עם ≥ תכונה אחת המגיבה לאימון היו ספציפיים לרקמות.

יתרה מכך, ל-2,359 גנים היו מאפיינים דיפרנציאליים ב-≥ שתי רקמות, כאשר רקמת השומן הלבנה והריאות חולקות באופן ייחודי את מערכי הגנים הגדולים ביותר, הקשורים בעיקר למערכת החיסון. כל שש הרקמות חלקו 22 גנים מווסתים אימון המועשרים במיוחד במסלולי תגובה להלם חום.

גורמי שעתוק הקשורים להמטופואזה הועשרו בדם, ואילו גורם משפר מיוציטים 2 (Mef2) מוטיבים של גורמי שעתוק משפחתיים הועשרו בשריר השלד והלב.

חתימות זרחון של כמה קינאזות בולטות שונו על פני מספר רקמות. לאחר מכן, תכונות דיפרנציאליות קובצו עם סטטיסטיקות סיכום מלאות בזמן כדי להשוות תגובות מולטי-אומיות לאימון בין רקמות. בוצע ניתוח העשרה של נתיבים עבור מספר אשכולות, ונבדקו התהליכים הביולוגיים הקשורים לאימון.

לכבד היה ויסות נגישות כרומטין משמעותי בהשוואה לרקמות אחרות. בדם היו העשרה הקשורות לביוגנזה/תחזוקה של אברון ולתרגום.

ב- gastrocnemius, מונחים הקשורים לסינתזה/פירוק שומנים ולאיתות של קולטן מופעל על ידי פרוקסיזום (PPAR) הועשרו ברמת החלבון. לעומת זאת, אלו הקשורים לחילוף החומרים של גליצרופוספוליפידים ושומני אתר הועשרה ברמה המטבולית.

יש לציין כי בפלזמה ובמעי הדק היו שינויים רבים יותר בשבוע ושבועיים של אימון. יתרה מכך, הבדלים בין המינים בתגובות לאימון נצפו ברקמות רבות, כאשר 58% מהמאפיינים המווסתים באימון היו מובחנים בין המינים לאחר שמונה שבועות.

תגובות הפוכות בין המינים צוינו בפוספוסיטים בריאות, אצטיליטים בכבד ובתמלילים של בלוטת יותרת הכליה ורקמת שומן לבנה. ציטוקינים פרו-דלקתיים הראו הבדלים בין המינים במספר רקמות.

רוב הציטוקינים הספציפיים לנשים הראו ויסות דיפרנציאלי בין השבועות 1 ל-2 של האימון. לעומת זאת, הוויסות הדיפרנציאלי של רוב הציטוקינים הספציפיים לגבר נצפה בין השבוע הרביעי לשמיני לאימון.

יתרה מכך, בלוטת יותרת הכליה הפגינה שיפוץ שעתוק נרחב, עם למעלה מ-4,000 גנים מווסתים באופן דיפרנציאלי. בריאות, פעילות ה-phosphosignaling ירדה עם אימון אצל גברים.

לבסוף, סוכמו שינויים מטבוליים ברחבי האורגניזם. הכבד, הלב, הריאות וההיפוקמפוס היו בעלי מחלקות המטבוליטים המועשרים ביותר.

חקירה נוספת של קבוצות אצילקרניטין ומטבוליטים בודדים גילתה שינויים הקשורים לשינויים תפקודיים בתגובה לאימון. הייתה עלייה משמעותית ברמות הקורטיזול בכליות.

מסלולים מטבוליים בכבד היו מווסתים באופן מהותי על פני הליפידום, הפרוטאום והאצטילום, עם העשרה משמעותית ב-12 מחלקות מטבוליטים של שומנים ותרכובות הקשורות לליפידים.

רוב תכונות הכבד תואמות לשינויים במסלולים המטבוליים של חומצת האמינו, המיטוכונדריה והשומנים. פוספטידילכולינים היו מוגברים, עם ירידה במקביל בטריאצילגליצרולים.

מסקנות

המחקר השתמש ב-25 פלטפורמות מולקולריות במספר רקמות ודיווח על הדינמיקה הזמנית של תגובת אימוני הסיבולת בחולדות. אלפי שינויים המגיבים לאימונים נצפו על פני ובתוך רקמות בתעתיקי mRNA, חלבונים ומטבוליטים.

שינויים רבים היו רלוונטיים לבריאות האדם, כולל בריאות הלב וכלי הדם ופגיעה/החלמה של רקמות. בסך הכל, הממצאים תורמים להבנת שיפורים הקשורים לפעילות גופנית בבריאות ובמחלות.