體育運動分子傳感器聯盟數據庫的研究現狀與應用前景

摘要：適當的體育運動對細胞乃至整個機體有益已被廣泛認可，但是其背后的機理仍然不清楚，如體育運動影響了哪些組織器官、細胞乃至分子靶點等。科學回答這些問題對于制定更好的、智能化和個性化的運動處方具有積極作用，但前提是要清楚體育運動所引起的機體分子水平的改變。在姐學時代，相應的組學數據顯得至關重要。美國國立衛生研究院共同基金資助的運動分子傳感器聯盟（MoTrPAC）成立，其目的就在于對受運動影響的生物分子進行編日以構建綜合全面的分子圖譜，誼圖譜最近發布了海量的體育運動相關的組學數據，對于體育運動諸多科學問題的解答奠定了重要的數據基礎，對體育及相關領域的科學研究和應用將產生深遠的影響。

關鍵詞：體育運動；運動分子傳感器聯盟；分子圖譜

文章編號：1001-747X（2024）05-0579-04 文獻標志碼：A 中圖分類號：G804.21

DOI： 10.16063／j.cnki.issn1001-747x.2024.05.003

體育運動促進健康和緩解疾病的作用已得到廣泛認可。大量證據表明，定期的鍛煉不僅有助于提高生活質量，還能顯著降低多種慢性病的風險，包括心血管疾病、糖尿病、肥胖癥及癌癥。“運動是良醫”理念早在2007年已被提出，旨在將體育鍛煉融入到醫療實踐中以達到緩解、治療疾病的作用，其通過增強心肺功能、調節體重、提高免疫力等多種機制改善健康狀況。

然而，盡管運動對健康的益處被證實，現在對于運動引發的分子變化及其對組織器官影響的分子機制雖然有所探索，但仍知之甚少。1999年，有學者通過分析運動員在馬拉松比賽前后的血液樣本發現，有幾個細胞因子在運動后飆升，比如IL-6。最近，脂質組學研究發現中度至劇烈運動可以降低隨衰老增加的脂質，表明體育運動可能可以延緩衰老。然而，當前多數有關運動的研究，往往只集中在少數的幾個組織和單個時間節點：亦或研究重點在少數幾個感興趣的生物通路或分子靶點。此外，礙于技術的成本和難度，現有研究的生物分子數據也過于單一，致使對運動調控的分子網絡缺乏系統的認知，無法全面系統地揭示運動對健康的復雜影響。大規模、高分辨率的數據對深入了解運動生物學，剖析運動介導的細胞信號傳導、基因調控及代謝通路等機制，進而針對個體進行精準的運動干預均至關重要。為了解決這一問題，體育運動分子傳感器聯盟（The Molecular Transducers of Physical Activity Consonium，簡稱MoTrPAC）應運而生。該項目是研究運動如何在細胞、組織和器官中發揮作用的潛在證據基礎的一次重大飛躍，將推動下一代的運動生物學研究，以更好地了解運動在預防或治療疾病方面的有效性。本文將對MoTrPAC項目、相關研究現狀及該項目產生數據的應用前景進行概述。

1MoTrPAC項目介紹

2016年，美國國立衛生研究院（NIH）共同基金資助的運動分子傳感器聯盟（MoTrPAC）成立，其目的是對受運動影響的生物分子進行編目以構建綜合全面的分子圖譜，并深入解析運動如何改善疾病和影響人類健康。通過識別運動影響機體的關鍵分子，并解析其如何隨著年齡、性別、身體組分、健康水平和運動量而變化，輔助研究人員和醫生制定個性化的運動建議。該聯盟擬開展為期10年、由多個站點小組協作實施的研究計劃，包括：臨床前動物研究和人類臨床運動小組負責實施運動干預和樣本收集；協調中心小組負責管理和分發樣本；化學分析小組負責產生多組學數據；生物信息中心小組負責組學數據的處理分析及數字資源的共享。

為創建全生命周期不同人群的運動反應分子圖譜，該項目擬募集包括兒童在內的約2 600個健康個體，構建大型隊列研究細胞對運動的反應。此外，考慮到人類樣本獲取的難度，同時計劃對包括6月齡和18月齡的、約820只大鼠進行運動訓練，以獲取全身組織對運動反應的圖譜。MoTrPAC項目設計考慮了不同的運動強度對組織器官的影響，包括急性運動和慢性運動。

當前研究計劃的實驗設計具體如下：對于大鼠，急性運動指跑步機上單次30 min的跑步，分別在運動后的0h、0.5 h、1h、4h及較遠的時間節點7h、24 h和48 h后收集生物樣本：慢性運動是耐力運動訓練，大鼠需進行每周5d、共8周的跑步訓練，并分別在第1、2、4、8周的運動后48 h獲取組織樣本；對每只大鼠，收集血漿、骨骼肌、白色脂肪、肝臟、心臟、腎臟、肺、腦和棕色脂肪等多達27個生物樣本。對于人類樣本，招募久坐不動及長期運動的個體，并將前者隨機分為3組，分別為接受耐力運動訓練、阻力運動訓練和不運動對照組。運動訓練強度為每周3d，持續12周。人類生物樣本分別在運動后0.5 h、4h及24 h后獲取，包括血液、肌肉和脂肪（對于兒童樣本，僅獲取血液樣本）。此外，研究人員將同時對樣本的其他表型測定，如血液乳酸濃度、最大耗氧量和身體成分。獲取生物樣本后，使用多種技術對生物分子進行組學定量檢測，包括基因組、表觀基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組和外泌體組。這些高通量數據將覆蓋全面的生物分子，為挖掘人類在運動反應中的關鍵（信號）分子、涉及的能量代謝通路及器官間的通訊提供詳細的數據資源，研究整體設計如圖1所示。

目前，該項目已公開部分6月齡大鼠的耐力運動訓練組學數據，包括表型數據、轉錄組學數據、靶向和非靶向的蛋白質學及代謝組學數據。研究人員可通過https：／／motrpac-data.org／站點訪問和使用數據。

2基于MoTrPAC數據的研究現狀

MoTrPAC研究小組率先描繪了多時間節點下的大鼠耐力運動訓練的多組學分子圖譜，幫助深入了解運動過程中發生的動態適應機制。分析發現包括血液在內的19種被測組織均在不同程度上受到耐力運動的影響，數千種生物分子呈現出變化，并且這些分子與免疫調控、線粒體通路、代謝等途徑密切相關。結合人類疾病本體注釋相關數據，發現變化的分子與非酒精性脂肪肝、炎癥性腸病和組織損傷修復有關，表明運動對上述疾病的潛在改善作用。該研究還揭示了運動引起的雄鼠和雌鼠性別特異性的分子反應，以腎上腺和脂肪組織最為明顯，提示在運動研究中納入不同性別樣本的必要性。同時，Many等學者進一步對2種性別的皮下白色脂肪的組學數據分析，發現久坐狀態的雄鼠白色脂肪富集在有氧代謝、脂質利用相關的通路，雌鼠的白色脂肪則展現出脂肪生成、胰島素信號傳導的生物標志物的富集：并且，隨著耐力運動訓練的進行，相關標志物的水平會進一步增加，性別二態性表現得更加明顯。雄鼠表現出消耗儲存脂肪，而雌鼠發生脂質重構與循環從而保留脂肪質量，有助于預防心臟代謝性疾病，為性別在運動反應上的差異提供了寶貴的數據資源和新的科學解釋。另一項基于MoTrPAC數據的研究全面分析了運動對與復雜疾病相關基因的調控，研究發現運動會改變與哮喘相關基因的表達，提示定期鍛煉會觸發對疾病癥狀的適應性反應，降低疾病的風險。此外，MoTrPAC研究小組解析了耐力運動訓練下不同器官特異的轉錄調控機制、表觀遺傳學特征及不同組織中線粒體適應性反應的差異。

3MoTrPAC數據的應用前景

綜上所述，MoTrPAC研究小組已對現有的年輕大鼠的組學數據進行了初步的探索，其后續生成的系統性、大規模人類的運動組學數據將繼續為多個領域的科學研究和應用帶來深遠的影響。例如：通過全面的生物分子圖譜分析性別、年齡、種族對運動反應的影響及特異的分子機制，分析不同類型的運動對機體影響的差異，分析運動對炎癥和免疫反應的影響等，揭示運動如何調控細胞功能及其在不同生理狀態下的作用機制。同時，這些研究也能夠為開發個性化的運動干預方案及科學的運動指南指定提供依據。結合現有的人工智能算法和MoTrPAC的多組學數據，有望實現基于深度學習的方法預測運動對疾病的療效、運動處方的優化。總之，MoTrPAC生成的數據不僅為運動生物學的深入理解提供堅實的基礎，還將推動運動在健康干預和疾病防治中的應用。

作者貢獻聲明：

崔慶華：提出選題，搜集文獻，指導論文寫作和修改。

崔春梅：整理文獻，圖例制作，撰寫論文。