迈向运动分子反应全身图谱的第一步

研究明确证实，肌肉运动、卡路里燃烧活动减缓了疾病的发展，改善了认知功能，增强了免疫系统，并降低了各种原因的死亡率

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。他们旨在以最小的规模揭示运动的影响，并更好地了解身体在健康和疾病状态下是如何工作的

分子是原子团。它们代表了可以参与化学反应的化合物的最小单位。蛋白质、碳水化合物、脂质（脂肪）和核酸中的这种化学反应&mdash；控制每个器官系统内部工作的“组学”（细胞成分）

运动似乎以鲜为人知的方式改变了这些分子主力。然而，识别出这些变化，无论年龄、性别、身体成分或健康水平如何，都有望为所有人类带来临床益处

MoTrPAC的起源

2016年末，为了在分子水平上了解更多运动诱导的变化，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。这导致成立了一个名为身体活动分子转导联盟（MoTrPAC）的国家合作专家小组

从一开始，太平洋西北国家实验室（PNNL）&mdash；在生物化学家Josh Adkins和Wei Jun Qian&mdash；一直是MoTrPAC在动物和人类运动、生物分子分析和生物信息学方面的全国专业中心之一

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。最终，MoTrPAC的目标是在人类和动物模型中创建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

钱在谈到分子图谱时说：“能够看到身体各器官的广泛分子反应特别有趣。”。“这些知识可能是锻炼的有力激励因素。”

蛋白质组学的重点

PNNL在MoTrPAC中的主要作用是研究运动诱导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

Adkins说：“我们从一开始就一直是联盟研究设计的核心，重点是蛋白质组学。”。他承认了一个关键的合作伙伴：哈佛大学和麻省理工学院指导的布罗德研究所的史蒂文·卡尔和他的蛋白质组学小组

映射挑战

在《细胞》杂志2020年的一篇综述中，Adkins和PNNL生物医学科学家James Sanford与其他合著者一起描述了分子“串扰”，这是一种由运动在各种组织中引发的化学信号。该研究还概述了绘制此类分子交换图的重要性

Cell的论文还介绍了公共MoTrPAC数据集的想法，以帮助发现运动益处背后的隐藏机制。它现在正在蓬勃发展。该数据集的主要分析师之一是PNNL化学家Paul Piehowski

对于Adkins、Qian和PNNL MoTrPAC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。他们进行分析，帮助识别和量化各种组织类型和样本中的蛋白质和其他分子

Adkins说，MoTrPAC“范围很大”。“PNNL的操作规模使我们能够以非常高的质量和高的操作再现性来做这种规模的事情。”他称PNNL-EMSL在MoTrPAC中的作用是“蛋白质组学研究的一次巡回演出。以前很少有这样规模的研究。”

2024年5月2日，全国范围内的MoTrPAC研究人员在《自然》杂志上发表了第一篇重要论文。该联盟发表的第一篇重要论文提供了第一张耐力运动训练分子反应的全生物图谱

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周、2周、4周和8周。作为对照，研究人员使用了久坐不动、未经训练的大鼠，与运动的大鼠进行性配对

在每个训练间隔的48小时内，研究人员收集全血、血浆和18种固体组织的样本，并将其分散到PNNL等组学中心进行深入分析

Adkins说，在众多的样本中，“我们想了解器官系统的整合。”《自然》论文的作者说，身体对耐力训练的分子反应是全系统的；这一结论通过整合一系列组学分析中的组织样本得到了证实

对其他结果进行了微调。例如，运动可以增强肝脏健康和新陈代谢。它还重塑和加强心脏结构，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，减少肺部和小肠的炎症。重要的是，作者认为