Польза физических упражнений для здоровья хорошо известна, но новые исследования показывают, что реакция организма на физические упражнения более сложная и далеко идущая, чем считалось ранее. В ходе исследования на крысах группа ученых со всей территории Соединенных Штатов обнаружила, что физическая активность вызывает множество клеточных и молекулярных изменений во всех 19 органах, которые они изучали у животных.
Физические упражнения снижают риск многих заболеваний, но ученые до сих пор не до конца понимают, как физические упражнения меняют организм на молекулярном уровне. Большинство исследований были сосредоточены на одном органе, поле или временном отрезке и включали только один или два типа данных.
Чтобы более полно взглянуть на биологию физических упражнений, ученые из Консорциума молекулярных преобразователей физической активности (MoTrPAC) использовали ряд лабораторных методов для анализа молекулярных изменений у крыс, подвергнутых неделям интенсивных физических упражнений. Их результаты опубликованы в Nature.
Команда изучила ряд тканей животных, таких как сердце, мозг и легкие. Они обнаружили, что каждый из органов, которые они исследовали, изменился под воздействием физических упражнений, помогая организму регулировать иммунную систему, реагировать на стресс и контролировать пути, связанные с воспалительными заболеваниями печени, сердца и повреждениями тканей.
Полученные данные дают потенциальный ключ ко многим различным состояниям здоровья человека; например, исследователи нашли возможное объяснение того, почему печень становится менее жирной во время физических упражнений, что может помочь в разработке новых методов лечения неалкогольной жировой болезни печени.
Команда надеется, что их результаты однажды можно будет использовать для адаптации физических упражнений к состоянию здоровья человека или для разработки методов лечения, имитирующих последствия физической активности для людей, которые не могут заниматься спортом. Они уже начали исследования на людях, чтобы отследить молекулярные эффекты физических упражнений.
Запущенный в 2016 году MoTrPAC объединяет ученых из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, Стэнфордского университета, Национальных институтов здравоохранения и других учреждений, чтобы пролить свет на биологические процессы, лежащие в основе пользы физических упражнений для здоровья. Проект Broad изначально был задуман Стивом Карром, старшим директором платформы протеомики Broad; Клэри Клиш, старшим директором платформы метаболомики Broad; Робертом Герштеном, старшим ассоциированным членом Broad и руководителем отдела сердечно-сосудистой медицины Медицинского центра Бет Израэль Диконисс; и Кристофером Ньюгардом, профессором диетологии Университета Дьюка.
Среди первых авторов исследования — Пьер Жан-Бельтран, научный сотрудник-постдок в группе Карра в Broad, когда началось исследование, а также Дэвид Амар и Николь Гэй из Стэнфорда. Кортни Деннис и Джулиан Авила, оба исследователя из группы Клиша, также были соавторами рукописи.
Потребовалась целая команда ученых с различным научным опытом, чтобы сгенерировать и интегрировать огромное количество полученных высококачественных данных. Это первая карта всего организма, на которой показано влияние тренировок на множество различных органов. Полученный ресурс будет чрезвычайно ценным и уже позволил получить множество потенциально новых биологических открытий для дальнейшего изучения «.
Стив Карр, соавтор исследования
Команда сделала все данные о животных доступными в общедоступном онлайн-хранилище. Другие ученые могут использовать этот сайт для загрузки, например, информации об изменении количества белков в легких самок крыс после восьми недель регулярных упражнений на беговой дорожке или реакции РНК на физические нагрузки во всех органах самцов и самок крыс с течением времени.
Анализ всего тела
Проведение такого большого и детального исследования потребовало тщательного планирования. «Степень координации, которую должны были выполнять все лаборатории, участвующие в этом исследовании, была феноменальной», — сказал Клиш.
В партнерстве со Сью Бодин из Медицинского колледжа Карвера при Университете Айовы, чья группа собирала образцы тканей у животных после восьми недель тренировок, другие члены команды MoTrPAC разделили образцы таким образом, чтобы каждая лаборатория — команда Карра, анализирующая белки, команда Клиша, изучающая метаболиты, и другие — исследовали практически идентичные образцы.
«Многие крупномасштабные исследования фокусируются только на одном или двух типах данных», — сказала Натали Кларк, специалист по вычислительной технике в группе Карра. «Но здесь у нас есть множество различных экспериментов на одних и тех же тканях, и это дало нам глобальный обзор того, как все эти различные молекулярные слои влияют на реакцию организма на физические нагрузки».
В общей сложности команды провели около 10 000 анализов, чтобы сделать около 15 миллионов измерений крови и 18 твердых тканей. Они обнаружили, что физические упражнения воздействуют на тысячи молекул, при этом наиболее серьезные изменения происходят в надпочечниках, которые вырабатывают гормоны, регулирующие многие важные процессы, такие как иммунитет, обмен веществ и кровяное давление. Исследователи обнаружили половые различия в нескольких органах, особенно связанные с иммунным ответом с течением времени. У большинства молекул, сигнализирующих об иммунитете, уникальных для женщин, уровни изменялись между одной и двумя неделями тренировок, в то время как у мужчин наблюдались различия между четырьмя и восемью неделями.
Некоторые реакции были одинаковыми у представителей разных полов и органов. Например, исследователи обнаружили, что белки теплового шока, которые вырабатываются клетками в ответ на стресс, регулируются одинаковыми способами в разных тканях. Но другие данные были специфичны для тканей. К своему удивлению, команда Карра обнаружила увеличение ацетилирования митохондриальных белков, участвующих в производстве энергии, и сигнала фосфорилирования, регулирующего накопление энергии, как в печени, так и в тех органах, которые изменились во время физических нагрузок. Эти изменения могут помочь печени стать менее жирной и менее подверженной заболеваниям при физических нагрузках, а также могут дать исследователям цель для будущих методов лечения неалкогольной жировой болезни печени.
«Несмотря на то, что печень не участвует непосредственно в физических нагрузках, она все равно претерпевает изменения, которые могут улучшить здоровье. Никто не предполагал, что мы увидим такие изменения в ацетилировании и фосфорилировании в печени после физических нагрузок «, — сказал Жан-Бельтран. «Это подчеркивает, почему мы используем все эти различные молекулярные методы: физические упражнения — очень сложный процесс, и это только верхушка айсберга «.
«Два или три поколения научных сотрудников повзрослели в рамках этого проекта консорциума и узнали, что значит тщательно планировать исследование и обрабатывать образцы», — добавила Асмик Кешишиан, старший руководитель группы Карра и соавтор исследования. «Теперь мы видим результаты нашей работы: биологически обоснованные выводы, основанные на высококачественных данных, полученных нами и другими учеными.Это действительно приносит удовлетворение «.
Другие опубликованные сегодня статьи MoTrPAC включают более глубокое изучение реакции жира и митохондрий в различных тканях на физические нагрузки. В настоящее время проводятся дополнительные исследования MoTrPAC для изучения воздействия физических упражнений на молодых взрослых и пожилых крыс, а также краткосрочных эффектов 30-минутных приступов физической активности. Консорциум также начал исследования на людях и набирает около 1500 человек разного возраста, пола, происхождения и уровня активности для клинического испытания по изучению влияния упражнений на выносливость и силовых нагрузок у детей и взрослых.
