《Nature》第629卷第8010期封面故事：定期锻炼的好处不言而喻，其潜在分子机制却有待深入全面的探究。美国国立卫生研究院（NIH）下属的体育活动分子传感器联盟（Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, MoTrPAC）的研究团队，在大鼠身上进行了为期 8 周的运动观察，试图分析耐力运动期间发生的一系列变化。最终，他们确定了数以千计的分子变化，并由这些变化提出身体适应运动时会从各种途径产生好处的见解。（图1）

图1

MoTrPAC的推出本身就是为了填补运动研究的重要空白，将重点转移到分子水平对运动的基本理解，为制定个性化运动方案奠定基础。其研究组最新发表在《Nature》上的研究文章，《Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise training》，从更广泛、全组织和多组学的角度鉴定了数千种共享和组织特异性的分子改变，揭示了对耐力训练的适应性反应的广泛生物学见解。研究中展示了雄性和雌性大鼠耐力运动训练时间效应的第一个全生物体分子图谱，这些数据和分析将作为理解和探索耐力训练的多组织分子效应的宝贵资源。（图2）

图2

研究人员对6个月大的雄性和雌性Fischer 344大鼠进行耐力训练并收集组织数据，以性别匹配的久坐、未经训练的大鼠作为对照。表型方面变化明显，训练同时促使了雌性和雄性的有氧能力增加；雄性训练组体脂率下降；雌性训练组体脂不变但久坐的对照组体脂率增加。使用基因组学、蛋白质组学、代谢组学和蛋白质免疫分析技术对全血、血浆和18种固体组织进行了分析，数据集来自211个组织和分子平台组合的9,466个分析，产生681,256个非表观遗传和14,334,496个表观遗传测量，分别对应213,689和2,799,307个独特的非表观遗传和表观遗传特征。（图3）

图3

然后采用差异分析表征耐力训练的分子反应，按时间汇总统计量化了每个性别和时间点的运动训练效果。在所有基因组的绝大多数组织中都能观察到训练调节分子，包括相对较大比例的转录组学、蛋白质组学、代谢组学和免疫分析特征。转录组学、代谢组学和蛋白质组学都表现出显著的差异调节，组织和基因组之间的大量差异特征突出了耐力训练分子适应的多面性和全生物性质。（图4）

图4

研究人员选择了具有最深分子谱的六个组织:腓肠肌、心脏、肝脏、白色脂肪组织、肺和肾，以鉴定组织中相关的基因表达。发现在这些具有至少一个训练响应特征的基因中，大多数基因是组织特异性的(67%)，且在白色脂肪组织中存在的数量最多。

超过2300个基因在至少两个组织中具有差异特征，肺和白色脂肪组织具有最大的独特共享基因集(n = 249)，主要是免疫相关途径富集，表达模式表明肺部炎症减少，白色脂肪组织免疫细胞募集增加。心脏和肠胃肌拥有第二大独特共享基因，大多涉及线粒体代谢途径。

所有6个组织中有22个基因受训练调节。特别是在热休克反应途径中富集。在蛋白质组学驱动下，热休克蛋白（HSPs）丰度显著上调。另一种普遍存在的耐力训练反应涉及激肽原酶KNG1和KNG2的调节，与运动的降压和胰岛素增敏作用有关。（图5）

图5

研究人员使用蛋白质组学和转录组学数据，通过转录因子和蛋白质翻译后修饰(PTM)富集分析方法，推断了转录因子和磷酸化信号的变化。

研究人员比较了不同组织中最显著富集的转录因子。观察到，血液中与造血相关的转录因子GABPA、ETS1、KLF3和ZNF143富集；心脏和骨骼肌中与肌肉相关的Mef2家族转录因子基序富集。

关键激酶的磷酸化特征在许多组织中发生了变化，包括AKT1、mTOR和MAPKsk等。在肝脏中，与肝脏再生调节因子有关的磷酸化特征增加。心脏激酶响应耐力测试在活性方面显示出双向变化，其中的SRC信号活性增加，表明其信号传导可以调节心脏的细胞外结构重塑，以促进生理上有益的适应。（图6）

图6

研究人员使用贝叶斯图形聚类法对差异特征进行完整时间聚类，用以比较耐力训练的跨组织动态多组学反应。通过将这些结果整合到一个图中，总结了分子训练响应的动态，并识别出具有相似响应的特征组。对多个图形定义的聚类进行了途径富集分析，以表征潜在的生物学基础。

组织中以及代谢组水平上不同分子的富集，突出了众所周知的耐力训练调节骨骼肌脂质组成、储存、合成和代谢的能力。血液显示出与翻译和细胞器生物发生和维持相关的通路富集，表明血液中的造血细胞动员增加。在运动训练的背景下研究较少的组织，包括肾上腺、脾脏等，也显示出对不同途径的调节。

三种横纹肌（腓肠肌、股外侧肌和心脏）的共享分子反应，说明了通路和假定的中枢调节因子之间的直接联系，强调了多组学数据在识别互连网络和理解骨骼肌重塑方面的重要性。（图7）

图7

研究人员将结果与现有的运动研究和疾病本体论注释相结合，系统地评估了数据的转化价值，最终结果支持大鼠数据与人类研究的高度一致性及其与人类疾病的相关性。

研究人员也发现许多组织在训练反应中具有调节上的性别差异。例如雄性和雌性在多种组织的反应相反，包括肾上腺腺转录本、肺部磷酸位点和染色质可及性特征等。又例如大多数促炎性细胞因子会在雌性运动的第1周和第2周之间发生差异化调节，而雄性则是第4到第8周才会发生。

一些数据表明免疫细胞活性在雄性脂肪组织适应耐力训练中起着重要作用；以及耐力训练可以改善肠道稳态，从而可能产生全身抗炎作用，雌性对此反应更强。（图8）

图8

研究人员使用RefMet代谢物类别以及KEGG途径的代谢亚类别，总结了代谢组学数据集的全生物体代谢变化。肝脏中显著富集的代谢物种类最多，其次是心脏、肺和海马体。

氧化磷酸化在大多数组织中富集，提示线粒体生化反应的潜在变化。骨骼肌、心脏和肝脏中线粒体生化增加，在肾上腺、结肠、肺和肾脏中观察到性别特异性线粒体变化。这些结果突出了线粒体对耐力训练的高度适应性和普遍反应。

在肝脏中，观察到蛋白质组、乙酰组和脂质组代谢途径的实质性调节。在属于“脂类和脂类相关化合物”的12种代谢物类别中存在显著的富集。这些肝脏特征大多与线粒体、氨基酸和脂质代谢途径中的蛋白质丰度和蛋白质乙酰化变化相对应。还观察到磷脂酰胆碱的增加和甘油三酯的减少。最后，过氧化物酶体(一种在脂质代谢中具有关键功能的细胞器)的蛋白质丰度增加并乙酰化。这些广泛的蛋白质乙酰化变化或是对耐力训练的反应。总之，这些分子适应可能构成运动介导的肝脏健康改善的部分机制，特别是防止肝内过度脂质储存和脂肪变性。（图9）

图9

绘制整个生物体的分子运动反应图对于了解运动的有益影响至关重要。研究人员在 mRNA 转录本、蛋白质、翻译后修饰和代谢物中确定了数千种训练诱导的组织内和组织间变化，包括时间和性别偏向反应，每个组学数据集都提供了对运动适应的独特见解。这项研究同样可以用来加深我们对与运动相关的健康和疾病管理改善的理解，将运动带来的分子调节与组织损伤或代谢性疾病联系起来，并用于未来关于运动如何改善全身和组织特定健康的假设驱动性研究等。

研究人员在文末提到：该MoTrPAC 资源为增强和完善耐力训练反应的分子图谱提供了未来的机会，持续的数据集补充有望将大鼠的组织和性别特异性分子变化转化为人类。这种多组学资源为研究耐力训练适应中的分子变化环境提供了广泛有用的参考，并为了解运动对健康和疾病的影响提供了新的机会。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06877-w