Польза физических упражнений для здоровья хорошо известна, но новые исследования показывают, что реакция организма на физические упражнения является более сложной и далеко идущей, чем считалось ранее. В ходе исследования на крысах группа ученых со всех концов Соединенных Штатов обнаружила, что физическая активность вызывает множество клеточных и молекулярных изменений во всех 19 органах, которые они изучали у животных.
Физические упражнения снижают риск многих заболеваний, но ученые до сих пор не до конца понимают, как физические упражнения меняют организм на молекулярном уровне. Большинство исследований сосредоточены на одном органе, поле или моменте времени и включают только один или два типа данных.
Чтобы более полно взглянуть на биологию физических упражнений, ученые из Консорциума молекулярных преобразователей физической активности (MoTrPAC) использовали ряд лабораторных методов для анализа молекулярных изменений у крыс, когда они подвергались неделям интенсивных упражнений. Их результаты опубликованы в журнале Nature.
Команда изучила ряд тканей животных, таких как сердце, мозг и легкие. Они обнаружили, что каждый из органов, на которые они смотрели, менялся под воздействием упражнений, помогая организму регулировать иммунную систему, реагировать на стресс и контролировать пути, связанные с воспалительными заболеваниями печени, болезнями сердца и повреждениями тканей.
Эти данные дают потенциальную информацию о многих различных состояниях здоровья человека; например, исследователи нашли возможное объяснение того, почему печень становится менее жирной во время физических упражнений, что может помочь в разработке новых методов лечения неалкогольной жировой болезни печени.
Команда надеется, что их результаты однажды могут быть использованы для адаптации физических упражнений к состоянию здоровья человека или для разработки методов лечения, имитирующих эффекты физической активности для людей, которые не могут заниматься физическими упражнениями. Они уже начали исследования на людях, чтобы отслеживать молекулярные эффекты физических упражнений.
«Потребовалась целая группа ученых с отличным научным образованием, чтобы сгенерировать и интегрировать огромное количество полученных высококачественных данных. Это первая карта всего организма, на которой показаны эффекты тренировки нескольких различных органов. Добытый ресурс будет чрезвычайно ценным и уже позволил получить множество потенциально новых биологических открытий для дальнейших исследований», - сказал один из авторов исследования Стив Карр.
Команда разместила все данные о животных в общедоступном онлайн-хранилище. Другие ученые могут использовать этот сайт, чтобы загрузить, например, информацию об изменении количества белков в легких самок крыс после восьми недель регулярных упражнений на беговой дорожке или о реакции РНК на физическую нагрузку во всех органах самцов и самок крыс в течение время.
Проведение такого большого и детального исследования потребовало тщательного планирования. «Объем координации, которую пришлось осуществлять всем лабораториям, участвовавшим в этом исследовании, был феноменальным», — говорят ученые.
«Многие крупномасштабные исследования сосредоточены только на одном или двух типах данных», — сказала Натали Кларк, ученый-компьютерщик из группы Карра. «Но здесь у нас есть множество различных экспериментов на одних и тех же тканях, и это дает нам глобальное представление о том, как все эти различные молекулярные слои способствуют реакции на физическую нагрузку».
В общей сложности команды выполнили около 10 000 анализов и сделали около 15 миллионов измерений крови и 18 твердых тканей. Они обнаружили, что физические упражнения влияют на тысячи молекул, вызывая наиболее серьезные изменения в надпочечниках, которые производят гормоны, регулирующие многие важные процессы, такие как иммунитет, обмен веществ и кровяное давление. Исследователи обнаружили половые различия в нескольких органах, особенно связанные с иммунным ответом с течением времени. Уровень большинства иммуносигнальных молекул, уникальных для женщин, демонстрировал изменения в уровнях между одной и двумя неделями тренировок, тогда как у мужчин наблюдались различия между четырьмя и восемью неделями.
Некоторые ответы были одинаковыми для разных полов и органов. Например, исследователи обнаружили, что белки теплового шока, которые вырабатываются клетками в ответ на стресс, регулируются одинаковым образом в разных тканях. Но другие открытия были тканеспецифичными. К своему удивлению, команда Карра обнаружила усиление ацетилирования митохондриальных белков, участвующих в выработке энергии, а также сигнала фосфорилирования, регулирующего запасание энергии, как в печени, который изменяется во время физических упражнений. Эти изменения могут помочь печени стать менее жирной и менее склонной к заболеваниям при физических нагрузках, а также могут дать исследователям цель для будущих методов лечения неалкогольной жировой болезни печени.
«Несмотря на то, что печень не участвует напрямую в физических нагрузках, она все равно претерпевает изменения, которые могут улучшить здоровье. Никто не предполагал, что мы увидим эти изменения ацетилирования и фосфорилирования в печени после физических упражнений», — сказал соавтор исследования Жан-Бельтран. «Это подчеркивает, почему мы используем все эти различные молекулярные модальности: упражнения — это очень сложный процесс, и это только верхушка айсберга».
«Два или три поколения научных сотрудников повзрослели в этом проекте консорциума и узнали, что значит тщательно спланировать исследование и обработать образцы», — добавила соавтор исследования Асмик Кешишян. «Теперь мы видим результаты нашей работы: биологические открытия, полученные на основе высококачественных данных, полученных нами и другими людьми. Это действительно приятно».
