生命在於運動。
我們都知道運動有益健康，例如能提高免疫力、增強心肺功能、改善認知能力以及調節身體代謝水平等[1]。除了上述好處之外，急性運動測試之後，檢測身體的各項指標，還可以發現一些隱匿在我們身上的疾病[2，3]。
不過，對於運動究竟是如何給人體帶來這麼些好處的這個問題，目前還沒有人能從分子層面上把問題說清楚。
今天，由史丹佛大學醫學院Michael P. Snyder和Francois Haddad領銜的研究團隊，在頂級期刊《細胞》雜誌發表重磅研究成果[4]。
他們從蛋白組學、代謝組學、脂質組學和轉錄組學層面，分析了志願者在跑步機上運動（約8-12分鐘）之前和之後近18000個分子的變化。
他們發現，在運動之後的1小時之內，近10000個涉及能量代謝、氧化應激、炎症、組織修復、生長因子反應，以及各種調節途徑的分子，發生了劇烈的變化。對於已經出現胰島素抵抗的人而言，他們在運動後免疫反應會受到抑制。此外，他們還發現了參與心肺運動反應的生物通路。
據瞭解，這也是科學家首次如此全面地分析運動在分子水平上對人體的影響。
▲ 該圖片由TheOtherKev在Pixabay上釋出
為了完成這項研究，研究人員招募了36名志願者。這些志願者年齡在40到75歲之間，BMI為28.4，其中58%是男性，有部分志願者出現了胰島素抵抗。
這些志願者在經過一晚的禁食之後，在跑步機上完成運動心肺功能測試（CPX）[5]（實際完成時間是6-18分鐘）。Snyder團隊會在志願者運動之前，以及運動後的2分鐘、15分鐘、30分鐘和60分鐘的時間節點上，分別採集血樣並儲存。其中有14名志願者在研究之後的第二天，又各自提供了一份血液，以作為空白對照。
採集完血樣之後，研究人員就開始了緊鑼密鼓地檢測分析。他們對每個樣本進行了深入的多組學分析，包括血漿的蛋白組學、代謝組學、脂質組學和外周血單個核細胞（PMBCs）的轉錄組學。
最終一共涉及17662個分子，其中包括15855個轉錄子，260個來自於非靶標分析的蛋白質，109個靶標蛋白質，728個代謝物和710個脂質。
▲ 實驗設計流程
初步分析顯示，運動讓9815個分子的水平在運動前後發生了變化，而且這種變化與運動後的時間密切相關。
▲ 不同時間、不同組別分子的變化情況
緊接著，Snyder和他的同事又分析了運動在分子水平上對人體影響的個體性差異。他們發現，以靶標蛋白為參考，在基線時，差異最大的分別是脂質、代謝物、蛋白質和轉錄組，分別是62.0%、46.2%、38.9%和26.9%。運動之後，差異大小的順序變成蛋白質、代謝物、轉錄組和脂質，分別是36.8%、32.1%、27.7%和17.0%。
▲ 運動影響個體間的差異
隨後，Snyder團隊先分析了運動對脂質、代謝物和蛋白質分子的影響情況。他們使用c-means聚類分析，將脂質、代謝物和蛋白質分子分成4個組群：第一個組群的分子在運動後增加，但是迅速恢復到基線水平；第二個組群的分子在運動停止一段時間後增加，然後恢復到基線水平；第三個組群的分子運動後下降，在1小時之內恢復到基線水平；第四個組群的分子在運動後持續減少。
此外，他們還劃定了關鍵的生物過程，包括早期（能量代謝、氧化應激和免疫反應）和晚期事件（能量平衡、組織修復和重塑）。
將上面的兩類資訊一整合，就可以產生一個龐大的關係網，通過這個關係網，我們就可以一目瞭然地知道不同生物過程之間的關係，甚至能發現一些分子的新功能。
▲ 四個組群的基本情況
我們們先來看看第一個組群的分子。這個組群包含196個分子，主要涉及無氧代謝、免疫反應、氧化應激、脂肪酸氧化和複合脂質代謝。Snyder和他的同事認為，這個結果和他們預期的一樣，糖酵解產物（乳酸、丙酮酸）和三羧酸（TCA）迴圈中間體（蘋果酸）的血漿濃度急劇增加，這可能反映了厭氧代謝水平的提高。
在氧化應激方面，髓過氧化物酶（MPO）水平增加，它是中性粒細胞釋放的，預示著骨骼肌損傷，會招募巨噬細胞到受損部位修復損傷。這大概就是運動能增強肌肉力量的原因所在吧。
免疫方面，促炎因子IL-6和腫瘤壞死因子α（TNF-α）的分泌增加。而TNF-α與多種細胞因子、單核細胞誘導蛋白1等的關聯，證實它的促炎特性。
在脂肪酸氧化方面，醯基肉鹼和遊離脂肪酸水平的增加表明，脂肪酸氧化被運動啟用。僅僅數分鐘的運動，就能燃脂，何樂而不為啊。
▲ 第一組群分子組成的網路
第二個組群的分子有148個，它們是在運動之後一段時間增加，隨後回到基線水平。這部分分子中的很大一部分與碳水化合物代謝有關。其中，脂肪酸結合蛋白3和4（FABP3和FABP4）的水平增加，它們會促進心臟組織和骨骼肌對葡萄糖和遊離脂肪酸的吸收。
此外，研究人員還檢測到凝血和止血因子的水平增加。如此看來，人體為了運動，真是做好了各種準備。
▲ 第二組群分子組成的網路
我們再來看看第三個組群的168個分子，它們先減少，然後在一小時內恢復到基線水平。在這個網路裡，竟然是以瘦素和胃泌素這兩種抑制飢餓感的代謝激素為中心。實際上，之前也有研究表明，運動之後這兩種激素會降低。嗯，運動後真的會感覺到餓。
此外，運動之後體內穀氨酸、胱氨酸、色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸和甘氨酸這六種氨基酸水平也會降低，它們有可能被骨骼肌分解以產生能量。看來運動之後，要適當補充蛋白。
▲ 第三組群分子組成的網路
最後一組包括171個分子，它們持續減少，且沒有恢復到基線水平。亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸等人體不能合成的支鏈氨基酸（BCAAs）是其中的一員。得補補~
▲ 第四組群分子組成的網路
以上就是脂質、代謝物和蛋白質分子的變化。接下來，我們再來看看外周血單個核細胞代表的免疫系統的變化。
很容易就發現，人體在運動之後，免疫系統是被強烈啟用的，這與之前的研究基本一致。除了與免疫相關功能之外，促進細胞生長和遷移的分子也增加了，研究人員認為，這些分子可能參與了肌肉組織的修復和重塑。
還有許多與心血管和止血相關的訊號途徑也上調了，這突出了運動和心血管健康之間的相互聯絡。
▲ 運動對免疫能力的影響
最後，Snyder團隊比較了運動對16名胰島素抵抗志願者和14名胰島素敏感志願者影響的差異。
在調整了各種混雜因素之後，有2279個分子的表現出現顯著差異，其中1930個是外周血單個核細胞表達組的差異。
最終的結果是，胰島素抵抗志願者的免疫反應較弱，而且與修復相關的髓過氧化物酶增加也較弱。一些參與血管功能、對缺氧的反應和一氧化氮合成的一些心血管通路在胰島素抵抗這體內受損。
還有就是胰島素抵抗的人，運動後許多受運動影響的主要生物途徑都發生了改變。例如，脂質、碳水化合物和氨基酸代謝，都比胰島素敏感的人差；瘦素和胃泌素減少的水平也比胰島素敏感者低。
對於胰島素抵抗者而言，有個好訊息是，胰島素的反應確實是更強烈了。
▲ 胰島素抵抗（IR）和胰島素敏感（IS）之間的差異
總的來說，史丹佛大學醫學院團隊的這個研究提供了海量的資料，讓我們對運動對人體的影響，有了更清晰的認知。其中海量的資料，還有待於研究人員進一步的挖掘。
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