mRNA轉(zhuǎn)錄物、修飾和代謝物分析鑒定訓(xùn)練誘導(dǎo)的組織內(nèi)和跨組織變化

近期，MoTrPAC  研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 上發(fā)表了題為“Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training”的研究論文[1]。

該研究對接受長達(dá)八周耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的大鼠組織進(jìn)行時(shí)間多組學(xué)分析，揭示了廣泛的共同、組織特異性和性別特異性變化，包括免疫、代謝、應(yīng)激反應(yīng)和線粒體通路。

首先，研究者建立了進(jìn)行性耐力運(yùn)動(dòng)大鼠模型，以模擬人類研究。以 6 個(gè)月大的雄性和雌性 Fischer 344 大鼠為模型，對其進(jìn)行無進(jìn)步性跑步機(jī)訓(xùn)練 (年齡匹配的久坐老鼠作為對照)。

訓(xùn)練為期 8 周，在訓(xùn)練 1、2、4 和 8 周的最后一次運(yùn)動(dòng) 48 小時(shí)后，從保持久坐或完成耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的雄性和雌性動(dòng)物身上收集 18 個(gè)實(shí)體組織、血漿和全血樣本 (圖 1)。

圖 1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和組織樣本處理^[1]。

對純種 Fischer 344 大鼠進(jìn)行漸進(jìn)式跑步機(jī)訓(xùn)練方案。從保持久坐或完成 1、2、4 或 8 周耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的雄性和雌性動(dòng)物身上采集組織。對于訓(xùn)練有素的動(dòng)物，樣本是在它們最后一次運(yùn)動(dòng)后 48 小時(shí)采集的 (紅色大頭針)。

使用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)免疫測定技術(shù)對全血、血漿和 18 種實(shí)體組織進(jìn)行分析 (圖 2)。數(shù)據(jù)匯總了包括 19 個(gè)組織，25 個(gè)分子平臺(tái)和 4 個(gè)訓(xùn)練時(shí)間點(diǎn)的共計(jì) 9,466 項(xiàng)檢測。該研究展示了耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對大鼠組織和性別等多方面影響。

圖 2. 研究中包含的分子數(shù)據(jù)集^[1]。

每只動(dòng)物的血液、血漿和 18 種實(shí)體組織生成多達(dá) 9 種數(shù)據(jù)類型 (omes): ACETYL: 乙酰蛋白質(zhì)組學(xué); 蛋白質(zhì)位點(diǎn)乙酰化; ATAC, 染色質(zhì)可及性, ATAC-seq 數(shù)據(jù); IMMUNO, 多重免疫測定; METAB，代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)；METHYL，DNA 甲基化，RRBS 數(shù)據(jù)；PHOSPHO，磷酸蛋白質(zhì)組學(xué)；蛋白質(zhì)位點(diǎn)磷酸化；PROT，整體蛋白質(zhì)組學(xué)；蛋白質(zhì)豐度；TRNSCRPT，轉(zhuǎn)錄組學(xué)，RNA 測序數(shù)據(jù)；UBIQ，泛素組學(xué)，蛋白質(zhì)位點(diǎn)泛素化。組織標(biāo)簽指示了本研究中使用的每種組織的位置、顏色代碼和縮寫：ADRNL，腎上腺; BAT，棕色脂肪組織；BLOOD, 全血, 血液 RNA; COLON, 結(jié)腸; CORTEX, 大腦皮層；HEART，心臟；HIPPOC，海馬；HYPOTH，下丘腦；KIDNEY，腎臟；LIVER, 肝臟; LUNG, 肺; OVARY, 卵巢; PLASMA, 血漿; SKM-GN, 腓腸肌 (骨骼肌); SKM-VL, 股外側(cè)肌 (骨骼肌); SMLINT, 小腸; SPLEEN, 脾臟; TESTES, 睪丸; VENACV, 下腔靜脈; WAT-SC, 皮下白色脂肪組織。每個(gè)組織標(biāo)簽旁邊的圖標(biāo)表示為該組織生成的數(shù)據(jù)類型。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) 6 個(gè)月大的雄性和雌性大鼠在進(jìn)行 1、2、4、8 周的漸進(jìn)式跑步機(jī)耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，其表型有明顯的變化，包括增加有氧能力和減少體脂百分比等。其中，8 周后雄性大鼠的有氧能力 (VO₂max) 提升了 18%，體脂下降 5%；而雌性大鼠有氧能力提升了 16% (圖 3a-b)。耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練導(dǎo)致大鼠體內(nèi)在組學(xué)和代謝等水平產(chǎn)生了大量的差異特征。

圖 3. 耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后大鼠表型的變化^[1]。

(a-b) 未經(jīng)訓(xùn)練的對照大鼠、4 周訓(xùn)練大鼠 (4 wk) 和 8 周訓(xùn)練大鼠 (8 wk) 的訓(xùn)練干預(yù)前后的臨床測量。雄性為藍(lán)色，雌性為粉紅色。

研究團(tuán)隊(duì)選取六種組織 (腓腸肌、心臟、肝臟、白色脂肪組織、肺臟和腎臟) 對耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。他們發(fā)現(xiàn)整個(gè)組織中共有 7,115 個(gè)獨(dú)特的基因，其中大部分具有至少一個(gè)是組織特異性的 (圖 4a)，白色脂肪組織中的數(shù)量是最多的。另外，有 22 個(gè)基因在所有組織中都受到了調(diào)控，尤其是與熱休克反應(yīng)相關(guān)，組織中熱休克蛋白 (HSP) 的表達(dá)顯著上調(diào)。

同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)許多組織中的關(guān)鍵激酶的磷酸化特征發(fā)生了變化，例如 AKT1、mTOR 和 MAPK 等。肝臟再生調(diào)節(jié)因子 (EGFR1、IGF、HGF)、細(xì)胞增殖因子 (STAT3、PXN、HGF) 等的磷酸化的增加，可能涉及到響應(yīng)運(yùn)動(dòng)的肝臟再生機(jī)制 (圖 4b)。

圖 4. 耐力訓(xùn)練對多組織的相關(guān)基因和關(guān)鍵激酶的磷酸化的影響^[1]。

(a) 每個(gè)基因受運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練調(diào)節(jié)的組織 (肺、腓腸肌、皮下白色脂肪、腎、肝和心臟) 數(shù)量；(b) 肝臟中激酶和信號(hào)通路活性增加。



在訓(xùn)練的第 1 -2 周，小腸和血漿已經(jīng)有較多的變化；而棕色和白色脂肪組織中的分別上調(diào)和下調(diào)的特征僅在第 8 周才能觀察到。對于腎上腺組織，雌鼠和雄鼠在第 1 周時(shí)就可以觀察到最大的相反的差異特征；而其他組織，比如橫紋肌肌肉組織 (腓腸肌、股外側(cè)肌和心臟) 則具有相對一致性的上調(diào)特征 (圖 5a)。
促炎細(xì)胞因子等特異性細(xì)胞因子在組織中也表現(xiàn)出與性別相關(guān)的變化，例如雌性鼠會(huì)在第 1-2 周受到差異性調(diào)節(jié)，而雄性鼠則是在第 4-8 周 (圖 5b)。

圖 5. 耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對組織和性別上的差異特征調(diào)節(jié)^[1]。

(a) 腓腸肌 (SKM-GN)、股外側(cè)肌 (SKM-VL) 和心臟三種肌肉組織訓(xùn)練后差異特征圖示。(b) 雌性和雄性鼠早期 (1 周或 2 周) 與晚期 (4 周或 8 周) 差異的特異性細(xì)胞因子計(jì)數(shù)。


研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了代謝組學(xué)和非代謝組學(xué)數(shù)據(jù)集的生物體的代謝變化，發(fā)現(xiàn)肝臟中代謝物數(shù)量是最多的，其次是心臟、肺和海馬體。同時(shí)，他們還觀察到線粒體的生物合成在骨骼肌、心臟和肝臟中增加；在腎上腺以及結(jié)腸、肺和腎臟中也存在性別特異性的線粒體變化。而在肝臟中，他們發(fā)現(xiàn)磷脂酰膽堿的增加和三酰甘油的減少，過氧化物酶體的蛋白質(zhì)豐度和乙�；�程度也會(huì)增加，其是在脂質(zhì)代謝中具有關(guān)鍵功能的細(xì)胞器。

這些可能是運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的改善肝臟健康，特別是防止脂肪肝和脂肪變性的機(jī)制。

圖 6. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與人類疾病和特征的關(guān)聯(lián)^[1]。

(a) 大鼠股外側(cè)肌差異表達(dá)結(jié)果與人類骨骼肌組織中長期訓(xùn)練基因表達(dá)變化的關(guān)系；(b) 雌性大鼠腓腸肌中的差異轉(zhuǎn)錄物與比目魚肌中差異表達(dá)基因的關(guān)系；(c) 白色脂肪、腎臟和肝臟基因集的 DOSE 疾病富集結(jié)果。

此外，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與人類疾病的相關(guān)性具有高度一致性，研究者們將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)研究和疾病本體論 (DO) 相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)股外側(cè)肌轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果與人類骨骼肌組織中長期訓(xùn)練基因表達(dá)變化具有顯著的重疊 (圖 6a)。經(jīng)過 8 周訓(xùn)練的雌性大鼠腓腸肌中的差異轉(zhuǎn)錄物與比目魚肌中鑒定出的差異表達(dá)基因存在顯著重疊 (圖 6b)。

同時(shí)，作者進(jìn)行 DO 富集分析，發(fā)現(xiàn)來自白色脂肪組織、腎臟和肝臟的下調(diào)基因在多種疾病術(shù)語中富集 (圖 6c)，表明運(yùn)動(dòng)反應(yīng)與 2 型糖尿病、心血管疾病、肥胖和腎臟疾病之間存在聯(lián)系，這些都是流行病學(xué)相關(guān)的并發(fā)疾病。

 

研究團(tuán)隊(duì)在 mRNA 轉(zhuǎn)錄物、蛋白質(zhì)、翻譯后修飾和代謝物分析中，鑒定了訓(xùn)練誘導(dǎo)的數(shù)千種組織內(nèi)和跨組織的變化，包括時(shí)間和性別的偏向反應(yīng)。研究結(jié)果讓我們對與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的健康改善和疾病管理有了更深入的理解，可用于未來關(guān)于鍛煉如何改善全身和特定組織健康的研究�？偠�言之，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對身體健康益處多多，大家動(dòng)起來吧~

 

---

Phospho-AKT1 (Ser473) Antibody 一個(gè)非偶聯(lián)、分子量約 56 kDa、兔源、抗磷酸化 AKT (Ser473) 單克隆抗體，可用于人、小鼠、大鼠背景下 WB 實(shí)驗(yàn)。

Phospho-mTOR (Ser2448) Antibody (YA171) 一個(gè)非偶聯(lián)、分子量約 289 kDa、兔源、抗磷酸化 mTOR (Ser2448) 單克隆抗體，可用于人、小鼠背景下 WB、IHC-P 實(shí)驗(yàn)。

Phospho-ERK1/2 (Thr202/Thr185) Antibody 一個(gè)非偶聯(lián)、分子量約 44.42 kDa、兔源、抗磷酸化 ERK1/2 (Thr202/Thr185) 單克隆抗體，可用于人、倉鼠、大鼠背景下 WB、IP 實(shí)驗(yàn)。

IGF 1 Antibody 一個(gè)非偶聯(lián)、分子量約 7.7/21 kDa、兔來源、抗 IGF 1 多克隆抗體，可用于人、小鼠、大鼠、狗背景下 WB、ELISA、IP、IHC-P、IHC-F、IF 實(shí)驗(yàn)。

Phospho-STAT3 (Tyr705) Antibody 一個(gè)非偶聯(lián)、分子量約 88 kDa、兔源、抗磷酸化 STAT3 (Tyr705) 多克隆抗體，可用于人、小鼠、大鼠背景下 WB、IHC-P、ICC/IF、IP 實(shí)驗(yàn)。

[1] MoTrPAC Study Group, et al. Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training. Nature. 2024 May;629(8010):174-183.