חשיפת העולם המולקולרי הנסתר של פעילות גופנית

פעילות גופנית ממושכת בחולדות גורמת לשינויים עמוקים ב RNAחלבונים ומטבוליטים כמעט בכל הרקמות, המספקים רמזים למצבי בריאות אנושיים רבים.

היתרונות הבריאותיים של פעילות גופנית ידועים היטב אך מחקר חדש מראה כי תגובת הגוף לפעילות גופנית מורכבת ומרחיקת לכת יותר ממה שחשבו בעבר. במחקר על חולדות, צוות מדענים מכל רחבי ארצות הברית מצא שפעילות גופנית גורמת לשינויים תאיים ומולקולריים רבים בכל 19 האיברים שחקרו בבעלי החיים.

פעילות גופנית מורידה את הסיכון למחלות רבות, אך מדענים עדיין לא מבינים עד הסוף כיצד פעילות גופנית משנה את הגוף ברמה המולקולרית. רוב המחקרים התמקדו באיבר בודד, מין או נקודת זמן, וכוללים רק סוג אחד או שניים של נתונים.

ניתוח מולקולרי מקיף

כדי להסתכל מקיפה יותר על הביולוגיה של פעילות גופנית, מדענים עם קונסורציום ה-Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) השתמשו במגוון של טכניקות במעבדה כדי לנתח שינויים מולקולריים בחולדות כשהן עוברות קצבים של שבועות של פעילות גופנית אינטנסיבית . הממצאים שלהם פורסמו ב-1 במאי בכתב העת טֶבַע.

הצוות חקר מגוון של רקמות מבעלי החיים, כגון הלב, המוח והריאות. הם גילו שכל אחד מהאיברים שהם הסתכלו עליהם השתנה עם פעילות גופנית, ועוזר לגוף לווסת את המערכת החיסונית, להגיב ללחץ ולשלוט במסלולים הקשורים למחלות כבד דלקתיות, מחלות לב ופגיעות רקמות.

השלכות בריאותיות אפשריות

הנתונים מספקים רמזים פוטנציאליים למצבי בריאות אנושיים רבים ושונים; לדוגמה, החוקרים מצאו הסבר אפשרי מדוע הכבד הופך פחות שומני במהלך פעילות גופנית, מה שיכול לסייע בפיתוח של טיפולים חדשים למחלת כבד שומני לא אלכוהולי.

הצוות מקווה שהממצאים שלהם יוכלו לשמש יום אחד כדי להתאים את הפעילות הגופנית למצב הבריאותי של הפרט או לפיתוח טיפולים המחקים את ההשפעות של פעילות גופנית עבור אנשים שאינם מסוגלים להתאמן. הם כבר החלו במחקרים על אנשים כדי לעקוב אחר ההשפעות המולקולריות של פעילות גופנית.

שיתוף פעולה מחקר רחב יותר

הושק בשנת 2016, MoTrPAC מרכז יחד מדענים מהמכון Broad Institute of MIT והרווארד, אוניברסיטת סטנפורד, ה המכונים הלאומיים לבריאות, ומוסדות נוספים לשפוך אור על התהליכים הביולוגיים העומדים בבסיס היתרונות הבריאותיים של פעילות גופנית. את הפרויקט ברוד הגה במקור סטיב קאר, מנהל בכיר של פלטפורמת ה-Proteomics של ברוד; קליירי קליש, מנהלת בכירה של פלטפורמת המטבולומיקה של ברוד; רוברט גרשטן, חבר שותף בכיר בראד וראש רפואת לב וכלי דם במרכז הרפואי בית ישראל דיאקונס; וכריסטופר ניוגארד, פרופסור לתזונה באוניברסיטת דיוק.

מחברים ראשונים במחקר כוללים את פייר ז'אן-בלטראן, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצתו של קאר בברוד כשהמחקר התחיל, כמו גם דיוויד עמר וניקול גיי מסטנפורד. קורטני דניס וג'וליאן אווילה, שניהם חוקרים בקבוצתו של קליש, היו גם מחברים שותפים לכתב היד.

"נדרש כפר של מדענים עם רקע מדעי מובהק כדי ליצור ולשלב את הכמות העצומה של נתונים באיכות גבוהה שהופקו", אמר קאר, מחבר בכיר שותף במחקר. "זוהי המפה הראשונה של אורגניזם שלם שמסתכלת על ההשפעות של אימון במספר איברים שונים. המשאב שיופק יהיה בעל ערך עצום, וכבר הפיק תובנות ביולוגיות רבות פוטנציאליות לחקירה נוספת."

הצוות הפך את כל נתוני החיות לזמינים במאגר ציבורי מקוון. מדענים אחרים יכולים להשתמש באתר זה כדי להוריד, למשל, מידע על החלבונים המשתנים בשפע בריאות של חולדות נקבות לאחר שמונה שבועות של פעילות גופנית סדירה על הליכון, או תגובת ה-RNA לפעילות גופנית בכל האיברים של חולדות זכר ונקבה. זְמַן.

ניתוח כל הגוף

ביצוע מחקר כה גדול ומפורט דרש תכנון רב. "כמות התיאום שכל המעבדות המעורבות במחקר הזה היו צריכות לעשות הייתה פנומנלית", אמר קליש.

בשיתוף עם סו בודין בקולג' קארבר לרפואה ב- אוניברסיטת איווהשקבוצתו אספה דגימות רקמה מבעלי חיים לאחר עד שמונה שבועות של אימונים, חברים אחרים בצוות MoTrPAC חילקו את הדגימות כך שכל מעבדה – הצוות של קאר המנתח חלבונים, מטבוליטים של קליש חוקרת ואחרות – תבחן דגימות כמעט זהות.

"הרבה מחקרים בקנה מידה גדול מתמקדים רק בסוג נתונים אחד או שניים", אמרה נטלי קלארק, מדענית חישובית בקבוצתו של קאר. "אבל כאן יש לנו מגוון רחב של ניסויים רבים ושונים על אותן רקמות, וזה נתן לנו סקירה גלובלית של האופן שבו כל השכבות המולקולריות השונות הללו תורמות לתגובת האימון."

בסך הכל, הצוותים ביצעו כמעט 10,000 מבחנים כדי לבצע כ-15 מיליון מדידות בדם וב-18 רקמות מוצקות. הם גילו שפעילות גופנית השפיעה על אלפי מולקולות, עם השינויים הקיצוניים ביותר בבלוטת יותרת הכליה, המייצרת הורמונים המווסתים תהליכים חשובים רבים כמו חסינות, חילוף חומרים ולחץ דם. החוקרים חשפו הבדלים בין המינים במספר איברים, הקשורים במיוחד לתגובה החיסונית לאורך זמן. רוב מולקולות האותות החיסוניות הייחודיות לנקבות הראו שינויים ברמות בין שבוע לשבועיים של אימון, ואילו אלו אצל גברים הראו הבדלים בין ארבעה לשמונה שבועות.

חלק מהתגובות היו עקביות בין המינים והאיברים. לדוגמה, החוקרים גילו שחלבוני הלם חום, המיוצרים על ידי תאים בתגובה ללחץ, היו מווסתים באותן דרכים על פני רקמות שונות. אבל תובנות אחרות היו ספציפיות לרקמות. להפתעתם, הצוות של קאר מצא עלייה באצטילציה של חלבוני המיטוכונדריה המעורבים בהפקת אנרגיה, ובאות זרחון המווסת את אגירת האנרגיה, הן בכבד שהשתנה במהלך פעילות גופנית. שינויים אלה יכולים לעזור לכבד להיות פחות שומני ופחות נוטה למחלות עם פעילות גופנית, ויכולים לתת לחוקרים יעד לטיפולים עתידיים במחלת כבד שומני לא אלכוהולי.

תובנות ביולוגיות חדשות

"למרות שהכבד אינו מעורב ישירות בפעילות גופנית, הוא עדיין עובר שינויים שיכולים לשפר את הבריאות. אף אחד לא העלה השערות שנראה את השינויים הללו באצטילציה וזרחון בכבד לאחר אימון כושר", אמר ז'אן-בלטראן. "זה מדגיש מדוע אנו פורסים את כל השיטות המולקולריות השונות הללו – פעילות גופנית היא תהליך מורכב מאוד, וזה רק קצה הקרחון."

"שניים או שלושה דורות של שותפי מחקר התבגרו בפרויקט הקונסורציום הזה ולמדו מה זה אומר לתכנן בקפידה מחקר ולעבד דוגמאות", הוסיף חסמיק קשישיאן, מנהיג קבוצה בכיר בקבוצתו של קאר ומחבר שותף במחקר. "עכשיו אנחנו רואים את התוצאות של העבודה שלנו: ממצאים בעלי תובנות ביולוגית שמניבים מהנתונים האיכותיים שאנחנו ואחרים יצרנו. זה באמת מספק."

מאמרים אחרים של MoTrPAC שפורסמו ב-1 במאי כוללים צלילות עמוקות יותר לתוך התגובה של שומן ומיטוכונדריה ברקמות שונות לפעילות גופנית. מחקרים נוספים של MoTrPAC נמצאים בעיצומם כדי לחקור את ההשפעות של פעילות גופנית על חולדות בוגרות צעירות וחולדות מבוגרות, ואת ההשפעות לטווח קצר של התקפי פעילות גופנית של 30 דקות. הקונסורציום החל גם במחקרים על בני אדם, והוא מגייס כ-1,500 אנשים ממגוון גילאים, מין, מוצא ורמות פעילות לניסוי קליני כדי לחקור את ההשפעות של תרגילי סיבולת והתנגדות אצל ילדים ומבוגרים כאחד.

למידע נוסף על מחקר זה, ראה מדענים מפענחים את ההשפעה המולקולרית של פעילות גופנית.

עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות.