_ Primii pași către o Harta întregului corp a răspunsurilor moleculare la exerciții

Cercetarile confirmă definitiv că activitatea de mișcare a mușchilor și arderea caloriilor încetinește progresul bolii, îmbunătățește funcția cognitivă, întărește sistemul imunitar și reduce ratele mortalității cauze.

Oamenii de știință aprofundează acum și mai mult efectele exercițiilor fizice asupra oamenilor și altor mamifere, investigând impactul exercițiului la nivel molecular. Acestea își propun să descopere, la cele mai mici scări, impactul exercițiilor fizice și să înțeleagă mai bine cum funcționează organismul în stări de sănătate și boală.

Moleculele sunt grupuri de atomi. Ele reprezintă cea mai mică unitate a unui compus chimic care poate lua parte la o reacție chimică. Astfel de reacții chimice în proteine, carbohidrați, lipide (grăsimi) și acizi nucleici - „omicile” (componentele celulare) care controlează funcționarea interioară a fiecărui sistem de organe.

Exercitul pare să schimbe acești cali de lucru moleculari în moduri care sunt prost înțelese. Identificarea unor astfel de modificări, totuși, promite beneficii clinice pentru toți oamenii, indiferent de vârstă, sex, compoziție corporală sau nivelul de fitness.

La sfârșitul anului 2016, pentru a afla mai multe despre schimbările induse de exerciții fizice. la nivel molecular, National Institutes of Health Common Fund a inceput sa sprijine cercetarea extinsa in cartografierea celor mai mici detalii despre modul in care exercitiile fizice ajuta la mentinerea sanatoase a tesuturilor si a sistemelor de organe. Acest lucru a condus la înființarea unui grup național de experți colaborativi numit Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC).

De la început, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) – sub conducerea biochimiștilor Josh Adkins și Wei -Jun Qian — a fost printre centrele naționale de expertiză ale MoTrPAC în exerciții pentru animale și oameni, analize biomoleculare și bioinformatică.

Centrele de analiză biomoleculară ale consorțiului folosesc o abordare omică pentru a analiza gene, proteine ​​sau alte biomolecule la un nivel al întregului corp. În cele din urmă, scopul MoTrPAC este de a crea o hartă moleculară a răspunsurilor la exerciții atât în ​​modelele umane, cât și pe cele animale. De la mușchi la moleculă, o astfel de hartă ar ajuta la dezvăluirea modului în care exercițiile fizice afectează sănătatea.

„Abilitatea de a vedea răspunsuri moleculare largi în organele din corp este deosebit de intrigantă”, a spus Qian despre cartografierea moleculară. „Asemenea cunoștințe ar putea fi un factor motivant puternic pentru exerciții.”

Rolul principal al PNNL în MoTrPAC este de a investiga modificările induse de efort în proteine ​​și modificările post-translaționale (PTM). Proteinele sunt formate din lanțuri de aminoacizi care se pliază în structuri tridimensionale și care apoi reglează structura și funcția țesuturilor și organelor. PTM-urile sunt evenimente de procesare care modifică funcțiile proteinelor prin modificarea chimică a aminoacizilor specifici dintr-o anumită proteină. Studierea modificărilor tuturor proteinelor detectabile și a PTM-urilor acestora dintr-o probă se numește proteomică.

„Am fost esențial pentru proiectarea studiului consorțiului încă de la început, cu accent pe proteomică”, a spus Adkins. . El a recunoscut un partener esențial: Steven Carr și grupul său de proteomică de la Broad Institute, un centru de cercetare condus de Universitatea Harvard și Institutul de Tehnologie din Massachusetts.

Într-o privire de ansamblu în perspectivă din 2020 în revista Cell, Adkins and Omul de știință biomedical PNNL, James Sanford, s-a alăturat altor co-autori pentru a descrie „discursul încrucișat” molecular, un fel de telegraf chimic determinat de exerciții fizice între o varietate de țesuturi. Studiul a subliniat, de asemenea, importanța cartografierii unor astfel de schimburi moleculare.

Lucrarea Cell a introdus, de asemenea, ideea unui set public de date MoTrPAC pentru a ajuta la găsirea mecanismelor ascunse din spatele beneficiilor exercițiilor fizice. Acum este înfloritoare și în creștere. Unul dintre analiștii principali ai setului de date este chimistul PNNL Paul Piehowski.

Pentru Adkins, Qian și alții din echipa MoTrPAC a PNNL, cercetarea în proteomică depinde de instrumentele de la Laboratorul de Științe Moleculare a Mediului (EMSL), o unitate de utilizare a Departamentului de Energie a Biroului de Știință situată în campusul PNNL. Capacitățile EMSL includ o serie de spectrometre de masă cu orbitrap de ultimă generație. Ei produc analize care ajută la identificarea și cuantificarea proteinelor și a altor molecule dintr-o varietate de tipuri de țesut și probe.

MoTrPAC „are o amploare uriașă”, a spus Adkins. „Scala operațională a PNNL ne permite să facem ceva de această dimensiune cu o calitate foarte înaltă și o reproductibilitate operațională ridicată”. El a numit rolul PNNL-EMSL în MoTrPAC „un tur de forță pentru un studiu proteomic. Puțini la această scară au fost făcute înainte.”

Cercetătorii MoTrPAC de la nivel național au contribuit la un studiu din 2 mai 2024 în cadrul studiului jurnalul Nature. Această primă lucrare majoră care a ieșit din consorțiu oferă prima hartă a întregului organism a răspunsurilor moleculare la antrenamentul de rezistență.

Organismul model al experimentului a fost șobolanul. Șobolanii masculi și femele din aceeași specie au alergat pe benzi de alergare motorizate pentru perioade de 1, 2, 4 și 8 săptămâni. Pentru controale, cercetătorii au folosit șobolani sedentari, neantrenați, potriviți pentru sex cu omologii lor în exercițiu.

În interval de 48 de ore de la fiecare interval de antrenament, cercetătorii au colectat mostre de sânge integral, plasmă și 18 țesuturi solide și le-au dispersat în centre omice precum PNNL pentru analize intensive.

Din numeroasele mostre, a spus Adkins, „Vrem să înțelegem integrarea sistemelor de organe”. Răspunsurile moleculare din organism la antrenamentul de anduranță sunt la nivelul întregului sistem, spun autorii lucrării Nature – o concluzie confirmată prin integrarea mostrelor de țesut într-o serie de analize omice.

Alte rezultate au fost mai bine reglate. Exercițiile fizice îmbunătățesc sănătatea ficatului și metabolismul, de exemplu. De asemenea, remodelează și întărește structura inimii, îmbunătățește căile legate de integritatea intestinului (sănătatea intestinală este legată de inflamația în întregul corp), îmbogățește căile imunitare și reduce inflamația în plămâni și intestinul subțire. Este important, spun autorii, diferențele de sex observate în răspunsurile la antrenament evidențiază cât de important este includerea ambelor sexe în cercetarea exercițiilor fizice.

Transpunerea datelor despre șobolani în concluzii relevante pentru oameni este o provocare. Cu toate acestea, șobolanii sunt modelul animal preferat, deoarece modelele de semnalizare ale mușchilor scheletici și ale sistemului de organe șobolan-uman sunt similare. La fel și metabolismul glucozei indus de efort și răspunsurile cardiace. În plus, masele mari de țesut ale șobolanilor oferă mostre mai bune decât șoarecii pentru analiza multiomică.

„Aceste date ne vor ajuta să aducem cunoștințe de la șobolan în sfera umană”, a spus Adkins.

p>Pentru a ajuta la eliminarea decalajului de date șobolan-om, consorțiul MoTrPAC are în desfășurare un experiment de răspuns la exerciții care înregistrează răspunsurile moleculare la antrenamentul de anduranță și antrenamentul de rezistență într-o cohortă de 2.000 de voluntari umani adulți.

Recentul. Lucrarea Nature oferă ceea ce Adkins a numit „o vedere peisaj” a cercetării MoTrPAC naționale multicentre. În același timp, alte studii în curs au o viziune mai restrânsă și mai detaliată asupra datelor consorțiului. Sanford de la PNNL face parte dintr-o echipă de cercetare care arată modul în care multiomica ajută la identificarea programelor cheie de reglementare a genelor care intră în joc în timpul exercițiilor fizice.

Echipa Sanford analizează mii de modificări moleculare observate. Acestea au inclus modul în care exercițiul reglează expresia genelor legate de modificările mitocondriale, răspunsurile la șocul termic, reglarea imunității și alte procese moleculare.

Sanford s-a alăturat, de asemenea, biochimistului PNNL Gina Many și cercetătorul de date PNNL Tyler Sagendorf într-un studiu. analiza datelor despre șobolani care alergă pentru a investiga dimorfismul sexual în răspunsurile țesutului adipos alb.

Adiposul alb este un sistem de organe secretoare și de stocare legat de dezvoltarea obezității, bolilor cardiovasculare, diabetului de tip 2, cancerului și altor afecțiuni. Acest tip de grăsime are, de asemenea, efecte importante asupra sistemului imunitar și asupra altor procese biologice care mențin sănătatea sistemică.

Până acum, analiza pare să demonstreze că la șobolani există diferențe „profunde” în răspunsul țesutului adipos alb între sexele. În timp ce antrenamentul fizic aduce beneficii șobolanilor de ambele sexe, doar șobolanii masculi răspund la exerciții prin pierderea țesutului adipos alb. La femelele de șobolan, exercițiul îi împiedică să câștige masă grasă.

Astfel de investigații limitate folosesc setul de date MoTrPAC pentru a căuta informații despre modul în care exercițiul afectează țesuturile individuale sau procesele biologice specifice.

Unul. Investigația MoTrPAC în curs, de exemplu, se uită la modul în care exercițiul afectează transcripția genelor. Acesta este procesul de copiere a informațiilor dintr-o catenă de ADN pe o moleculă numită ARN mesager (ARNm), care transmite informațiile genetice către zonele celulelor în care se produc proteinele. Un alt exemplu de cercetare în curs se referă la impactul exercițiului asupra răspunsului mitocondrial. Mitocondriile, prezente în celulele mamiferelor, reglează producția de energie și răspunsul la stres.

Fiecare studiu mai mic bazat pe fațete separate ale datelor MoTrPAC, a spus Adkins, „este o piesă dintr-o viziune mai mare”. Această viziune este a consorțiului: să cartografieze modificările moleculare ale corpului după exerciții.

(Fluierul)