Mapa molekularna całego ciała wyjaśnia, dlaczego ćwiczenia są dla ciebie tak dobre

Ćwiczenia nie polegają tylko na zwiększaniu siły mięśni, poprawie zdrowia serca i obniżaniu poziomu cukru we krwi; są również powiązane z wieloma innymi korzyściami zdrowotnymi. Ale w jaki sposób regularny bieg na bieżni, stroma jazda na rowerze lub szybki spacer w porze lunchu przynoszą tak oszałamiającą gamę korzyści zdrowotnych?

Jesteśmy bliżej odpowiedzi na to pytanie dzięki nowemu, ogromnemu badaniu ze Stanford School of Medicine. Naukowcy wykonali prawie 10 000 pomiarów w prawie 20 typach tkanek, aby zobaczyć efekty ośmiu tygodni ćwiczeń wytrzymałościowych na szczurach laboratoryjnych trenowanych do biegania na bieżniach wielkości gryzoni.

Ich odkrycia podkreślają uderzające efekty ćwiczeń na układ odpornościowy, reakcję na stres, produkcję energii i metabolizm. Odkryli istotne powiązania między ćwiczeniami a cząsteczkami i genami, o których wiadomo, że odgrywają rolę w wielu chorobach człowieka i naprawie tkanek.

Badanie jest jednym z serii artykułów opublikowanych 1 maja przez członków interdyscyplinarnego zespołu badawczego, których celem jest stworzenie podstaw do zrozumienia – na poziomie całego ciała i molekularnym – w jaki sposób nasze tkanki i komórki reagują na ćwiczenia.

„Wszyscy wiemy, że ćwiczenia są dla nas dobre” — mówi profesor patologii Stephen Montgomery, PhD. „Ale niewiele wiemy o sygnałach molekularnych, które pojawiają się w całym ciele, gdy ludzie ćwiczą, ani o tym, jak mogą być one zmieniane przez trening. Nasze badanie jest pierwszym, które przygląda się zmianom molekularnym w skali całego ciała, od białek po geny, metabolity, tłuszcze i produkcję energii. Jest to najszersze jak dotąd profilowanie efektów ćwiczeń i tworzy ważną mapę tego, jak zmieniają one ciało”.

Montgomery, który jest również profesorem genetyki i nauki o danych biomedycznych, jest starszym autorem artykułu opublikowanego w czasopiśmie Nature.

Skoordynowany widok ćwiczeń

Naukowcy biorący udział w badaniu i innych równoległych publikacjach są częścią krajowej grupy o nazwie Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, lub MoTrPAC, zorganizowanej przez National Institutes of Health. Inicjatywa została uruchomiona w 2015 r. w celu szczegółowego zbadania, w jaki sposób ćwiczenia poprawiają zdrowie i zapobiegają chorobom.

Zespół Stanford Medicine wykonał większość ciężkiej pracy, badając wpływ ośmiotygodniowego treningu wytrzymałościowego na ekspresję genów (transkryptom), białek (proteom), tłuszczów (lipidom), metabolitów (metabolom), wzór znaczników chemicznych umieszczonych na DNA (epigenom), układ odpornościowy i inne.

Przeprowadzili 9466 testów na wielu tkankach u szczurów, które trenowano do biegania na coraz większe odległości, i porównali wyniki z wynikami szczurów, które leniuchowały w klatkach. Skupili się na mięśniach nóg, sercu, wątrobie, nerkach i białej tkance tłuszczowej (rodzaj tłuszczu, który gromadzi się wraz z przybieraniem na wadze); inne tkanki obejmowały płuca, mózg i brunatną tkankę tłuszczową (bardziej aktywny metabolicznie rodzaj tłuszczu, który pomaga spalać kalorie).

Połączenie wielu analiz i typów tkanek dało wyniki liczące setki tysięcy dla zmian nieepigenetycznych i ponad 2 miliony odrębnych zmian w epigenomie. Te wyniki będą dawać naukowcom zajęcie na wiele lat.

Chociaż badanie to służyło przede wszystkim stworzeniu bazy danych do przyszłych analiz, pojawiły się już pewne interesujące wyniki. Po pierwsze, zauważyli, że ekspresja 22 genów zmieniała się wraz z ćwiczeniami we wszystkich sześciu tkankach, na których się skupili.

Wiele genów brało udział w tzw. szlakach szoku cieplnego, które stabilizują strukturę białka, gdy komórki są narażone na stres, w tym zmiany temperatury, infekcję lub przebudowę tkanek. Inne geny brały udział w szlakach, które obniżają ciśnienie krwi i zwiększają wrażliwość organizmu na insulinę, co obniża poziom cukru we krwi.

Naukowcy zauważyli również, że ekspresja kilku genów powiązanych z cukrzycą typu 2, chorobami serca, otyłością i chorobami nerek była zmniejszona u szczurów ćwiczących w porównaniu do ich rówieśników prowadzących siedzący tryb życia, co wyraźnie wskazuje na związek między ich badaniami a zdrowiem człowieka.

Różnice płciowe

Na koniec odkryli różnice płciowe w tym, jak różne tkanki u szczurów płci męskiej i żeńskiej reagowały na ćwiczenia. Samce szczurów straciły około 5 procent tkanki tłuszczowej po ośmiu tygodniach ćwiczeń, podczas gdy samice nie straciły dużo tłuszczu. (Utrzymały jednak swój początkowy procent tkanki tłuszczowej, podczas gdy samice prowadzące siedzący tryb życia zyskały dodatkowe 4 procent tkanki tłuszczowej w trakcie badania).

Ale największą różnicą była ekspresja genów w nadnerczach szczurów. Po tygodniu geny powiązane z produkcją hormonów steroidowych, takich jak adrenalina i produkcja energii, wzrosły u samców szczurów, ale zmniejszyły się u samic szczurów.

Mimo tych wczesnych, kuszących skojarzeń, badacze ostrzegają, że nauka o ćwiczeniach jest daleka od ukończenia. W rzeczywistości dopiero się zaczyna. Ale przyszłość wygląda obiecująco.

„W dłuższej perspektywie mało prawdopodobne jest, abyśmy znaleźli jedną magiczną interwencję, która powieli wszystko, co ćwiczenia mogą zrobić dla danej osoby” — powiedział Montgomery. „Ale możemy zbliżyć się do idei precyzyjnych ćwiczeń — dostosowanych zaleceń opartych na genetyce, płci, wieku lub innych schorzeniach danej osoby, aby osiągnąć korzystne reakcje całego ciała”.