Forskning bekräftar definitivt att muskelrörelse, kaloriförbrännande aktivitet bromsar utvecklingen av sjukdomar, förbättrar kognitiv funktion, stärker immunförsvaret och minskar dödligheten av alla orsaker.
Forskare går nu ännu djupare in i effekterna av träning på människor och andra däggdjur genom att undersöka effekterna av träning på molekylär nivå. De syftar till att avslöja, i minsta skala, effekterna av träning och att bättre förstå hur kroppen fungerar i hälsotillstånd och sjukdomstillstånd.
Molekyler är kluster av atomer. De representerar den minsta enheten av en kemisk förening som kan delta i en kemisk reaktion. Sådana kemiska reaktioner i proteiner, kolhydrater, lipider (fetter) och nukleinsyror - de "omics" (cellulära komponenterna) som styr det inre arbetet i varje organsystem.
Träning verkar förändra dessa molekylära arbetshästar på sätt som är dåligt förstådda. Att identifiera sådana förändringar ger dock ett löfte om kliniska fördelar för alla människor, oavsett ålder, kön, kroppssammansättning eller konditionsnivå.
I slutet av 2016, för att ta reda på mer om träningsinducerade förändringar på molekylär nivå, började National Institutes of Health Common Fund stödja utökad forskning för att kartlägga de minsta detaljerna om hur träning hjälper till att upprätthålla friska vävnader och organsystem. Det ledde till att en nationell grupp av samarbetsexperter bildades kallad Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC).
Från början har Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) – under ledning av biokemisterna Josh Adkins och Wei-Jun Qian – varit bland MoTrPAC:s rikstäckande expertiscentra inom djur- och människors träning, biomolekylära analyser och bioinformatik.
Konsortiets biomolekylära analyscenter använder en omics-metod för att analysera gener, proteiner eller andra biomolekyler på helkroppsnivå. I slutändan är målet med MoTrPAC att skapa en molekylär karta över träningssvar i både mänskliga och djurmodeller. Från muskel till molekyl, en sådan karta skulle hjälpa till att avslöja hur träning påverkar hälsan.
"Förmågan att se breda molekylära svar över organ i kroppen är särskilt spännande", säger Qian om molekylär kartläggning. "Sådan kunskap kan vara en stark motivationsfaktor för att träna."
PNNL:s huvudroll i MoTrPAC är att undersöka träningsinducerade förändringar i proteiner och post-translationella modifieringar (PTM). Proteiner är gjorda av aminosyrakedjor som viker sig till tredimensionella strukturer och som sedan reglerar vävnads- och organstruktur och funktion. PTM:er bearbetar händelser som ändrar proteinfunktioner genom att kemiskt modifiera specifika aminosyror inom ett givet protein. Att studera förändringar i alla påvisbara proteiner och deras PTM i ett prov kallas proteomik.
"Vi har varit centrala i studiedesignen av konsortiet från första början, med tonvikt på proteomik", säger Adkins. Han erkände en kritisk partner:Steven Carr och hans proteomikgrupp vid Broad Institute, ett forskningscenter som leds av Harvard University och Massachusetts Institute of Technology.
I en perspektivöversikt från 2020 i tidskriften Cell , Adkins och PNNL biomedicinska forskare James Sanford förenade sig med andra medförfattare för att beskriva molekylärt "cross talk", en sorts kemisk telegraf som föranleds av träning bland en mängd olika vävnader. Studien beskrev också vikten av att kartlägga sådana molekylära utbyten.
Cellen paper introducerade också idén om en offentlig MoTrPAC-datauppsättning för att hjälpa till att hitta de dolda mekanismerna bakom fördelarna med träning. Det frodas och växer nu. En av de ledande analytikerna för datamängden är PNNL-kemist Paul Piehowski.
För Adkins, Qian och andra i PNNL:s MoTrPAC-team beror proteomikforskning på instrument vid Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), en användaranläggning för Department of Energy Office of Science på PNNL-campus. EMSL:s kapacitet inkluderar en rad avancerade orbitrap-masspektrometrar. De producerar analyser som hjälper till att identifiera och kvantifiera proteiner och andra molekyler från en mängd olika vävnadstyper och prover.
MoTrPAC "är enorm i omfattning", sa Adkins. "PNNL:s omfattning gör att vi kan göra något av den här storleken med mycket hög kvalitet och hög operativ reproducerbarhet." Han kallade PNNL-EMSL-rollen i MoTrPAC "en tour de force för en proteomisk studie. Få i denna skala har gjorts tidigare."
MoTrPAC-forskare över hela landet bidrog till en studie den 2 maj 2024 i tidskriften Nature . Detta första stora dokument som kom ut ur konsortiet tillhandahåller den första helorganismkartan över molekylära svar på uthållighetsträning.
Experimentets modellorganism var råttan. Han- och honråttor av samma art sprang på motoriserade löpband under 1-, 2-, 4- och 8-veckorsperioder. För kontroller använde forskare stillasittande, otränade råttor, matchade för sex med sina tränande motsvarigheter.
Inom 48 timmar efter varje träningsintervall samlade forskare in prover av helblod, plasma och 18 fasta vävnader och spred dem till omicscenter som PNNL för intensiv analys.
Av de många proverna, sade Adkins, "Vi vill förstå integrationen av organsystem." Molekylära reaktioner i kroppen på uthållighetsträning är systemomfattande, säger författarna till Nature papper – en slutsats som bekräftas genom att integrera vävnadsprover i en rad omics-analyser.
Övriga resultat var finjusterade. Träning förbättrar till exempel leverhälsa och ämnesomsättning. Det omformar och stärker också hjärtats struktur, förbättrar vägar relaterade till tarmintegritet (tarmhälsa är kopplat till inflammation i hela kroppen), berikar immunförsvarsvägar och minskar inflammation i lungorna och tunntarmen. Viktigt, berättar författarna, visar könsskillnaderna i träningssvar hur viktigt det är att inkludera båda könen i träningsforskningen.
Att översätta råttdata till slutsatser som är relevanta för människor är utmanande. Råttor är dock den föredragna djurmodellen eftersom rått-mänsklig skelettmuskel och organsystems signalmönster är liknande. Så är träningsinducerad glukosmetabolism och hjärtsvar. Dessutom ger de stora vävnadsmassorna av råttor bättre prov än möss för multiomikanalys.
"Dessa data kommer att hjälpa oss att föra in kunskap från råttan till den mänskliga sfären", sa Adkins.
För att hjälpa till att överbrygga datagapet mellan råtta och människa har MoTrPAC-konsortiet ett träningssvarsexperiment på gång som registrerar molekylära svar på uthållighetsträning och motståndsträning i en kohort av 2 000 vuxna frivilliga.
Den senaste Naturen papper ger vad Adkins kallade "en landskapsvy" av multicenter nationell MoTrPAC-forskning. Samtidigt tar andra pågående studier snävare och mer detaljerade syn på konsortiedata. PNNL:s Sanford är en del av ett forskarlag som visar hur multiomics hjälper till att identifiera nyckelgenreglerande program som spelar in under träning.
Sanford-teamet tittar på tusentals observerade molekylära förändringar. De inkluderade hur träning reglerar genuttryck relaterat till mitokondriella förändringar, värmechocksvar, immunreglering och andra molekylära processer.
Sanford har också anslutit sig till PNNL biostruktur- och funktionsbiokemist Gina Many och PNNL-dataforskaren Tyler Sagendorf i en analys av löpande råttdata för att undersöka sexuell dimorfism i vit fettvävnadssvar.
Vitt fett är ett lagrings- och sekretoriskt organsystem kopplat till utvecklingen av fetma, hjärt-kärlsjukdomar, typ 2-diabetes, cancer och andra tillstånd. Denna fetttyp har också viktiga effekter på immunförsvaret och andra biologiska processer som upprätthåller systemisk hälsa.
Hittills tycks analysen visa att det hos råttor finns "djupa" skillnader i vit fettvävnadsrespons mellan könen. Även om fysisk träning gynnar råttor av båda könen, svarar bara hanråttor på träning genom att förlora vit fettvävnad. Hos honråttor hindrar motion dem från att få fettmassa.
Sådana snävt fokuserade undersökningar använder MoTrPAC-datauppsättningen för att leta efter insikter om hur träning påverkar individuella vävnader eller specifika biologiska processer.
En MoTrPAC-undersökning pågår, till exempel, tittar på hur träning påverkar gentranskriptionen. Det är processen att kopiera information från en DNA-sträng till en molekyl som kallas budbärar-RNA (mRNA), som vidarebefordrar genetisk information till cellområdena där proteiner tillverkas. Ett annat exempel på pågående forskning handlar om träningens inverkan på mitokondriell respons. Mitokondrier, som finns i däggdjursceller, reglerar energiproduktion och stressrespons.
Varje mindre studie baserad på separata aspekter av MoTrPAC-data, sa Adkins, "är en del av en större vision." Den visionen är konsortiets:att kartlägga kroppens molekylära förändringar efter träning.
Mer information: Temporal dynamik hos multiomisk respons på uthållighetsträning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06877-w
Journalinformation: Natur , Cell
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
