摘要：適當(dāng)?shù)捏w育運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞乃至整個(gè)機(jī)體有益已被廣泛認(rèn)可，但是其背后的機(jī)理仍然不清楚，如體育運(yùn)動(dòng)影響了哪些組織器官、細(xì)胞乃至分子靶點(diǎn)等?？茖W(xué)回答這些問題對(duì)于制定更好的、智能化和個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)處方具有積極作用，但前提是要清楚體育運(yùn)動(dòng)所引起的機(jī)體分子水平的改變。在姐學(xué)時(shí)代，相應(yīng)的組學(xué)數(shù)據(jù)顯得至關(guān)重要。美國國立衛(wèi)生研究院共同基金資助的運(yùn)動(dòng)分子傳感器聯(lián)盟（MoTrPAC）成立，其目的就在于對(duì)受運(yùn)動(dòng)影響的生物分子進(jìn)行編日以構(gòu)建綜合全面的分子圖譜，誼圖譜最近發(fā)布了海量的體育運(yùn)動(dòng)相關(guān)的組學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)諸多科學(xué)問題的解答奠定了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)體育及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：體育運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)分子傳感器聯(lián)盟；分子圖譜

文章編號(hào)：1001-747X（2024）05-0579-04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 中圖分類號(hào)：G804.21

DOI： 10.16063／j.cnki.issn1001-747x.2024.05.003

體育運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康和緩解疾病的作用已得到廣泛認(rèn)可。大量證據(jù)表明，定期的鍛煉不僅有助于提高生活質(zhì)量，還能顯著降低多種慢性病的風(fēng)險(xiǎn)，包括心血管疾病、糖尿病、肥胖癥及癌癥?！斑\(yùn)動(dòng)是良醫(yī)”理念早在2007年已被提出，旨在將體育鍛煉融入到醫(yī)療實(shí)踐中以達(dá)到緩解、治療疾病的作用，其通過增強(qiáng)心肺功能、調(diào)節(jié)體重、提高免疫力等多種機(jī)制改善健康狀況。

然而，盡管運(yùn)動(dòng)對(duì)健康的益處被證實(shí)，現(xiàn)在對(duì)于運(yùn)動(dòng)引發(fā)的分子變化及其對(duì)組織器官影響的分子機(jī)制雖然有所探索，但仍知之甚少。1999年，有學(xué)者通過分析運(yùn)動(dòng)員在馬拉松比賽前后的血液樣本發(fā)現(xiàn)，有幾個(gè)細(xì)胞因子在運(yùn)動(dòng)后飆升，比如IL-6。最近，脂質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)中度至劇烈運(yùn)動(dòng)可以降低隨衰老增加的脂質(zhì)，表明體育運(yùn)動(dòng)可能可以延緩衰老。然而，當(dāng)前多數(shù)有關(guān)運(yùn)動(dòng)的研究，往往只集中在少數(shù)的幾個(gè)組織和單個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)：亦或研究重點(diǎn)在少數(shù)幾個(gè)感興趣的生物通路或分子靶點(diǎn)。此外，礙于技術(shù)的成本和難度，現(xiàn)有研究的生物分子數(shù)據(jù)也過于單一，致使對(duì)運(yùn)動(dòng)調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)缺乏系統(tǒng)的認(rèn)知，無法全面系統(tǒng)地揭示運(yùn)動(dòng)對(duì)健康的復(fù)雜影響。大規(guī)模、高分辨率的數(shù)據(jù)對(duì)深入了解運(yùn)動(dòng)生物學(xué)，剖析運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、基因調(diào)控及代謝通路等機(jī)制，進(jìn)而針對(duì)個(gè)體進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)均至關(guān)重要。為了解決這一問題，體育運(yùn)動(dòng)分子傳感器聯(lián)盟（The Molecular Transducers of Physical Activity Consonium，簡稱MoTrPAC）應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目是研究運(yùn)動(dòng)如何在細(xì)胞、組織和器官中發(fā)揮作用的潛在證據(jù)基礎(chǔ)的一次重大飛躍，將推動(dòng)下一代的運(yùn)動(dòng)生物學(xué)研究，以更好地了解運(yùn)動(dòng)在預(yù)防或治療疾病方面的有效性。本文將對(duì)MoTrPAC項(xiàng)目、相關(guān)研究現(xiàn)狀及該項(xiàng)目產(chǎn)生數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景進(jìn)行概述。

1MoTrPAC項(xiàng)目介紹

2016年，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）共同基金資助的運(yùn)動(dòng)分子傳感器聯(lián)盟（MoTrPAC）成立，其目的是對(duì)受運(yùn)動(dòng)影響的生物分子進(jìn)行編目以構(gòu)建綜合全面的分子圖譜，并深入解析運(yùn)動(dòng)如何改善疾病和影響人類健康。通過識(shí)別運(yùn)動(dòng)影響機(jī)體的關(guān)鍵分子，并解析其如何隨著年齡、性別、身體組分、健康水平和運(yùn)動(dòng)量而變化，輔助研究人員和醫(yī)生制定個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)建議。該聯(lián)盟擬開展為期10年、由多個(gè)站點(diǎn)小組協(xié)作實(shí)施的研究計(jì)劃，包括：臨床前動(dòng)物研究和人類臨床運(yùn)動(dòng)小組負(fù)責(zé)實(shí)施運(yùn)動(dòng)干預(yù)和樣本收集；協(xié)調(diào)中心小組負(fù)責(zé)管理和分發(fā)樣本；化學(xué)分析小組負(fù)責(zé)產(chǎn)生多組學(xué)數(shù)據(jù)；生物信息中心小組負(fù)責(zé)組學(xué)數(shù)據(jù)的處理分析及數(shù)字資源的共享。

為創(chuàng)建全生命周期不同人群的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)分子圖譜，該項(xiàng)目擬募集包括兒童在內(nèi)的約2 600個(gè)健康個(gè)體，構(gòu)建大型隊(duì)列研究細(xì)胞對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。此外，考慮到人類樣本獲取的難度，同時(shí)計(jì)劃對(duì)包括6月齡和18月齡的、約820只大鼠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，以獲取全身組織對(duì)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的圖譜。MoTrPAC項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮了不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)組織器官的影響，包括急性運(yùn)動(dòng)和慢性運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)前研究計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體如下：對(duì)于大鼠，急性運(yùn)動(dòng)指跑步機(jī)上單次30 min的跑步，分別在運(yùn)動(dòng)后的0h、0.5 h、1h、4h及較遠(yuǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)7h、24 h和48 h后收集生物樣本：慢性運(yùn)動(dòng)是耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，大鼠需進(jìn)行每周5d、共8周的跑步訓(xùn)練，并分別在第1、2、4、8周的運(yùn)動(dòng)后48 h獲取組織樣本；對(duì)每只大鼠，收集血漿、骨骼肌、白色脂肪、肝臟、心臟、腎臟、肺、腦和棕色脂肪等多達(dá)27個(gè)生物樣本。對(duì)于人類樣本，招募久坐不動(dòng)及長期運(yùn)動(dòng)的個(gè)體，并將前者隨機(jī)分為3組，分別為接受耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、阻力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和不運(yùn)動(dòng)對(duì)照組。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度為每周3d，持續(xù)12周。人類生物樣本分別在運(yùn)動(dòng)后0.5 h、4h及24 h后獲取，包括血液、肌肉和脂肪（對(duì)于兒童樣本，僅獲取血液樣本）。此外，研究人員將同時(shí)對(duì)樣本的其他表型測定，如血液乳酸濃度、最大耗氧量和身體成分。獲取生物樣本后，使用多種技術(shù)對(duì)生物分子進(jìn)行組學(xué)定量檢測，包括基因組、表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組和外泌體組。這些高通量數(shù)據(jù)將覆蓋全面的生物分子，為挖掘人類在運(yùn)動(dòng)反應(yīng)中的關(guān)鍵（信號(hào)）分子、涉及的能量代謝通路及器官間的通訊提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)資源，研究整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

目前，該項(xiàng)目已公開部分6月齡大鼠的耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練組學(xué)數(shù)據(jù)，包括表型數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)、靶向和非靶向的蛋白質(zhì)學(xué)及代謝組學(xué)數(shù)據(jù)。研究人員可通過https：／／motrpac-data.org／站點(diǎn)訪問和使用數(shù)據(jù)。

2基于MoTrPAC數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀

MoTrPAC研究小組率先描繪了多時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的大鼠耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的多組學(xué)分子圖譜，幫助深入了解運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)制。分析發(fā)現(xiàn)包括血液在內(nèi)的19種被測組織均在不同程度上受到耐力運(yùn)動(dòng)的影響，數(shù)千種生物分子呈現(xiàn)出變化，并且這些分子與免疫調(diào)控、線粒體通路、代謝等途徑密切相關(guān)。結(jié)合人類疾病本體注釋相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)變化的分子與非酒精性脂肪肝、炎癥性腸病和組織損傷修復(fù)有關(guān)，表明運(yùn)動(dòng)對(duì)上述疾病的潛在改善作用。該研究還揭示了運(yùn)動(dòng)引起的雄鼠和雌鼠性別特異性的分子反應(yīng)，以腎上腺和脂肪組織最為明顯，提示在運(yùn)動(dòng)研究中納入不同性別樣本的必要性。同時(shí)，Many等學(xué)者進(jìn)一步對(duì)2種性別的皮下白色脂肪的組學(xué)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)久坐狀態(tài)的雄鼠白色脂肪富集在有氧代謝、脂質(zhì)利用相關(guān)的通路，雌鼠的白色脂肪則展現(xiàn)出脂肪生成、胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的生物標(biāo)志物的富集：并且，隨著耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的進(jìn)行，相關(guān)標(biāo)志物的水平會(huì)進(jìn)一步增加，性別二態(tài)性表現(xiàn)得更加明顯。雄鼠表現(xiàn)出消耗儲(chǔ)存脂肪，而雌鼠發(fā)生脂質(zhì)重構(gòu)與循環(huán)從而保留脂肪質(zhì)量，有助于預(yù)防心臟代謝性疾病，為性別在運(yùn)動(dòng)反應(yīng)上的差異提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源和新的科學(xué)解釋。另一項(xiàng)基于MoTrPAC數(shù)據(jù)的研究全面分析了運(yùn)動(dòng)對(duì)與復(fù)雜疾病相關(guān)基因的調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)會(huì)改變與哮喘相關(guān)基因的表達(dá)，提示定期鍛煉會(huì)觸發(fā)對(duì)疾病癥狀的適應(yīng)性反應(yīng)，降低疾病的風(fēng)險(xiǎn)。此外，MoTrPAC研究小組解析了耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練下不同器官特異的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制、表觀遺傳學(xué)特征及不同組織中線粒體適應(yīng)性反應(yīng)的差異。

3MoTrPAC數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景

綜上所述，MoTrPAC研究小組已對(duì)現(xiàn)有的年輕大鼠的組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的探索，其后續(xù)生成的系統(tǒng)性、大規(guī)模人類的運(yùn)動(dòng)組學(xué)數(shù)據(jù)將繼續(xù)為多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用帶來深遠(yuǎn)的影響。例如：通過全面的生物分子圖譜分析性別、年齡、種族對(duì)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)的影響及特異的分子機(jī)制，分析不同類型的運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體影響的差異，分析運(yùn)動(dòng)對(duì)炎癥和免疫反應(yīng)的影響等，揭示運(yùn)動(dòng)如何調(diào)控細(xì)胞功能及其在不同生理狀態(tài)下的作用機(jī)制。同時(shí)，這些研究也能夠?yàn)殚_發(fā)個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案及科學(xué)的運(yùn)動(dòng)指南指定提供依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)有的人工智能算法和MoTrPAC的多組學(xué)數(shù)據(jù)，有望實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的方法預(yù)測運(yùn)動(dòng)對(duì)疾病的療效、運(yùn)動(dòng)處方的優(yōu)化?？傊?，MoTrPAC生成的數(shù)據(jù)不僅為運(yùn)動(dòng)生物學(xué)的深入理解提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還將推動(dòng)運(yùn)動(dòng)在健康干預(yù)和疾病防治中的應(yīng)用。

作者貢獻(xiàn)聲明：

崔慶華：提出選題，搜集文獻(xiàn)，指導(dǎo)論文寫作和修改。

崔春梅：整理文獻(xiàn)，圖例制作，撰寫論文。