Молекулярная карта всего тела объясняет, почему упражнения так полезны для вас

Физические упражнения – это не только повышение мышечной силы, улучшение здоровья сердца и снижение уровня сахара в крови, но и целый ряд других улучшений здоровья. Но как регулярные занятия на беговой дорожке, езда на велосипеде по крутому склону или быстрая прогулка в обеденное время приносят такой головокружительный спектр преимуществ для здоровья?

Мы стали ближе к ответу на этот вопрос благодаря новому обширному исследованию, проведенному Стэнфордской медицинской школой. Исследователи провели почти 10 000 измерений в почти 20 типах тканей, чтобы выяснить эффект восьминедельных упражнений на выносливость у лабораторных крыс, тренированных для бега на беговых дорожках размером с грызуна.

Их результаты подчеркивают поразительные эффекты упражнений на иммунную систему, реакцию на стресс, производство энергии и метаболизм. Они обнаружили значительные связи между упражнениями, молекулами и генами, которые уже известны своей ролью в множестве человеческих заболеваний и восстановлении тканей.

Исследование является одним из серии статей, опубликованных 1 мая членами многопрофильной исследовательской группы, призванной заложить основу для понимания – на уровне всего организма и молекул – того, как наши ткани и клетки реагируют на физическую нагрузку.

«Мы все знаем, что упражнения полезны для нас», — говорит профессор патологии Стивен Монтгомери, доктор философии. «Но мы мало знаем о молекулярных сигналах, которые проявляются по всему телу, когда люди занимаются спортом, или о том, как они могут изменяться при тренировках. Наше исследование является первым, которое рассматривает молекулярные изменения в масштабе всего тела, от белков до генов, метаболитов, жиров и производства энергии. Это самое широкое профилирование эффектов упражнений на сегодняшний день, и оно создает важную карту того, как они изменяют организм».

Монтгомери, который также является профессором генетики и биомедицинских данных, является старшим автором статьи, опубликованной в журнале Nature.

Скоординированный взгляд на упражнения

Исследователи, участвующие в исследовании и других одновременных публикациях, являются частью национальной группы под названием Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, или MoTrPAC, организованной Национальными институтами здравоохранения. Эта инициатива была запущена в 2015 году для детального изучения того, как физические упражнения улучшают здоровье и предотвращают заболевания.

Команда Стэнфордской медицины взяла на себя большую часть тяжелой работы, изучая влияние восьминедельных тренировок на выносливость на экспрессию генов (транскриптом), белков (протеом), жиров (липидом), метаболитов (метаболом), паттерн химических меток, наносимых на ДНК (эпигеном), иммунную систему и т.д.

Они провели 9 466 анализов на нескольких тканях у крыс, которых тренировали бегать на увеличивающиеся расстояния, и сравнили результаты с результатами крыс, которые бездельничали в своих клетках. Они уделили особое внимание мышцам ног, сердцу, печени, почкам и белой жировой ткани (тип жира, который накапливается по мере увеличения веса); другие ткани включали легкие, мозг и бурую жировую ткань (более метаболически активный тип жира, который помогает сжигать калории).

Комбинация множества анализов и типов тканей дала результаты, исчисляемые сотнями тысяч для неэпигенетических изменений и более чем 2 миллионами различных изменений в эпигеноме. Эти результаты будут держать ученых занятыми в течение многих лет.

Хотя это исследование в первую очередь служило для создания базы данных для будущего анализа, некоторые интересные результаты уже появились. Во-первых, они отметили, что экспрессия 22 генов изменилась с упражнениями во всех шести тканях, на которых они сосредоточились.

Многие из этих генов участвовали в так называемых путях теплового шока, которые стабилизируют структуру белков, когда клетки подвергаются стрессу, включая изменения температуры, инфекцию или ремоделирование тканей. Другие гены были вовлечены в пути, которые снижают артериальное давление и увеличивают чувствительность организма к инсулину, что снижает уровень сахара в крови.

Исследователи также отметили, что экспрессия нескольких генов, связанных с диабетом 2 типа, сердечными заболеваниями, ожирением и заболеваниями почек, была снижена у крыс, занимающихся упражнениями, по сравнению с их сидячими сверстниками, что ясно указывает на связь между их исследованиями и здоровьем человека.

Половые различия

Наконец, они выявили половые различия в том, как различные ткани у самцов и самок крыс реагировали на упражнения. Самцы крыс потеряли около 5% своего жира после восьми недель упражнений, в то время как самки не потеряли значительного количества жира. (Однако они сохранили свой начальный процент жира, в то время как сидячие самки за время исследования набрали дополнительно 4% жира).

Но самое большое различие наблюдалось в экспрессии генов в надпочечниках крыс. Через неделю гены, связанные с выработкой стероидных гормонов, таких как адреналин, и с производством энергии, увеличились у самцов крыс, но снизились у самок крыс.

Несмотря на эти ранние, заманчивые ассоциации, исследователи предупреждают, что наука о физических упражнениях далеко не завершена. Скорее, это только начало. Но будущее выглядит многообещающим.

«В долгосрочной перспективе маловероятно, что мы найдем какую-то одну магическую интервенцию, которая воспроизведет все, что физические упражнения могут сделать для человека», — сказал Монтгомери. «Но мы можем приблизиться к идее прецизионных упражнений – индивидуальных рекомендаций на основе генетики, пола, возраста или других медицинских условий человека для достижения полезных реакций всего тела».