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▼生物信息學習的正確姿勢（第三版）

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眾所周知，運動有益健康，運動不僅能夠提高機體免疫力、增強心肺功能、改善認知能力等，還能對代謝和免疫等生理過程帶來立竿見影的改變。不過，對于運動究竟是如何給人體帶來這么些好處的這個問題，目前還沒有分子層面的答案。

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2020年5月28日，國際頂級學術期刊Cell以封面文章的形式發表了題為"Molecular Choreography of Acute Exercise"的最新研究。斯坦福大學醫學院Michael P. Snyder和Francois Haddad領銜的合作研究團隊，從蛋白組學、代謝組學、脂質組學和轉錄組學層面，首次全面地分析運動在分子水平上對人體的影響。研究發現運動之后，近10000個涉及能量代謝、氧化應激、炎癥、組織修復、生長因子反應，以及各種調節途徑的分子，發生了劇烈的變化。

1、實驗與分析流程

該項研究共招募了36名年齡在40到75歲之間的志愿者，在經過一晚的禁食之后，在跑步機上進行有氧運動。研究團隊在志愿者跑步前抽取了血樣，作為與運動后進行對比的參照標準。并在志愿者達到了峰值耗氧量后（跑了8~12分鐘）的2分鐘、15分鐘、30分鐘和60分鐘采集其血液樣本（樣本策略）。

研究人員隨后對采集到的血液樣本，進行了深入的多組學分析，包括血漿的蛋白質組學、代謝組學、脂質組學和外周血單個核細胞（PMBCs）的轉錄組學（組學策略）。研究一共涉及17662個分子，其中包括15855個轉錄子，260個來自于非靶向分析的蛋白質，109個靶向定量蛋白質，728個代謝物和710個脂質。

圖1、實驗和分析流程示意圖

2、運動對人體影響的個體間差異分析

研究人員首先分析了運動對人體影響的個體性差異，研究發現，以靶標蛋白為參考，在基線時，差異最大的分別是脂質（62.0%）、代謝物（46.2%）、蛋白質（38.9%）和轉錄組（26.9%）。運動之后，差異大小的順序變成蛋白質（36.8%）、代謝物（32.1%）、轉錄組（27.7%）和脂質（17.0%）。

圖2、運動對人體影響的個體間差異

3、運動對脂質、代謝物和蛋白質分子的影響

定量分析顯示，運動讓9815個分子的水平在運動前后發生了變化，分子的變化與運動后的時間密切相關。運動后的早期，關鍵的生物過程主要包括能量代謝、氧化應激和免疫反應，而運動后的晚期則為能量平衡、組織修復和重塑。

圖3、急性運動引起的多組學變化

研究人員進一步使用c-means聚類分析，將脂質、代謝物和蛋白質根據變化趨勢不同，分成4個集群：第一個集群的分子在運動后增加，但是迅速恢復到基線水平；第二個集群的分子在運動停止一段時間后增加，然后恢復到基線水平；第三個集群的分子運動后下降，在1小時之內恢復到基線水平；第四個集群的分子在運動后持續減少。

圖4、運動對脂質、代謝物和蛋白質分子的影響

第一個集群包含196個分子，主要涉及無氧代謝、免疫反應、氧化應激、脂肪酸氧化和復合脂質代謝。結果表明，運動后短時間內，厭氧代謝水平就能夠發生顯著提高，脂肪酸氧化被運動激活，身體快速“燃脂”。同時過氧化物酶（MPO）水平增加，預示著骨骼肌損傷，招募巨噬細胞到受損部位修復損傷，從而增強肌肉力量。

第二個集群的分子有148個，很大一部分與碳水化合物代謝有關。它們在運動之后一段時間增加，隨后回到基線水平。如脂肪酸結合蛋白3和4（FABP3和FABP4）的水平增加，它們會促進心臟組織和骨骼肌對葡萄糖和游離脂肪酸的吸收。

第三個集群包含168個分子，以瘦素和胃饑餓素這兩種代謝激素為中心。它們先減少，然后在一小時內恢復到基線水平，解答了運動后短時間內饑餓感減弱，之后“胃口大開”的謎題。此外，運動之后體內谷氨酸、胱氨酸、色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和甘氨酸這六種氨基酸水平也會降低。說明運動中機體可能通過代謝氨基酸來產生能量，也提示我們運動之后要適當補充蛋白。

最后一組包括171個分子，亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸等人體不能合成的支鏈氨基酸（BCAAs）是其中的一員，它們持續減少，且沒有恢復到基線水平。

除此之外，研究人員還通過實驗分析證實了，人體在運動之后免疫系統被強烈激活，同時有許多與心血管和止血相關的信號途徑也顯著上調，研究結果強調了運動和免疫與心血管健康之間的相互聯系。研究還發現對于胰島素抵抗志愿者，由于無法正常處理葡萄糖代謝，運動后免疫反應、脂質、碳水化合物和氨基酸代謝等主要生物途徑變化相對健康人群較弱，為理解胰島素抵抗的病理生理學提供了新的洞見。

圖5、胰島素抵抗（IR）和胰島素敏感（IS）之間的差異

總之，該研究從蛋白組學、代謝組學、脂質組學和轉錄組學層面，首次全面地分析運動在分子水平上對人體的影響，涉及能量代謝、炎癥、氧化應激、組織修復和心血管反應等各個方面。研究結果為運動后發生的分子生理改變提供了全景式的描述，對于個體化運動的分析和評測，具有重要的啟示意義。

圖6、 研究主要結論

參考文獻

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

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的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...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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