《细胞·代谢》:运动好处大揭秘!首个运动诱导细胞分泌蛋白图谱发布全面揭秘对10种组织21种分泌蛋白的影响
。这一发现也提示,之前研究运动有益健康只盯着肌肉、肝脏和脂肪是远远不够的。
此外,他们还深入研究了运动后肝脏分泌的羧酸酯酶,发现这个蛋白的分泌形式有抗肥胖、抗糖尿病和提高运动能力的功能。
例如,有研究发现运动后肌肉释放纤维连接蛋白,促进肝脏自噬改善代谢[2];运动产生鸢尾素促进白色脂肪棕色化,燃烧产热[3],以及减少骨丢失[4],改善认知[5];运动后脂肪细胞释放的脂肪因子TGF-β2,能促进多种组织吸收葡糖糖[6];运动后肝脏合成的Gpld1酶,会促进海马神经元的再生[7]等等。这篇文章开头的“运动”标签里面汇总了相关的文章,感兴趣的朋友可以去看看。
不难发现,上面介绍的文章都是围绕某个特定组织器官产生的特定分子,缺少系统性研究。不过也有一个例外。三年前,斯坦福大学医学院Michael P. Snyder团队,从蛋白组学、代谢组学、脂质组学和转录组学层面,分析了志愿者在跑步机上运动约8-12分钟之后近18000个分子的变化[8]。由于是人体研究,Snyder团队没办法搞清楚发生变化的分子都来自哪些组织器官或者细胞。
或许是为了进一步填补上这个空白,Michael P. Snyder团队这次也参与了Long博士领衔的这个研究。
为了搞清楚分泌蛋白和不同组织器官细胞的对应关系,Long博士团队构建了21种小鼠模型。通过让靶基因在不同组织/细胞中的特异性表达,他们就可以捕捉到不同细胞分泌蛋白的变化情况。
每种小鼠模型各6只雄鼠,运动组和不运动组各3只。运动组小鼠的运动周期为1周,每天1小时。
总的来看,Long博士团队在两组小鼠中总共发现了1272个独特的细胞类型-蛋白质对。随后他们将运动组小鼠和不运动组小鼠的细胞类型-蛋白质对做了比较,发现运动改变了其中256个细胞类型-蛋白质对,涉及181种蛋白(有些表达上调,有些表达下调),其中很多之前都没有被报道过。
从细胞的层面来说,在所有细胞类型分泌蛋白水平都受运动的影响,受影响蛋白的平均数为12,中位数为10,变化范围是1-44,运动的影响可见一斑。
一开始,就有两个蛋白引起了Long博士团队的注意——CES2A和CES2C,它俩都是羧酸酯酶,运动后分泌量增加了3倍。CES2这类羧酸酯酶之前被认为是肝脏的内质网常驻蛋白,在细胞内发挥作用。但是他们的研究却发现,CES2也会以运动依赖的方式被肝脏释放出来。至于CES2A和CES2C的功能及作用机制,咱们放在后面再讲。
除了这俩羧酸酯酶之外,引起Long博士团队注意的另一个分泌蛋白是TIMP3。这个蛋白是Pdgfra阳性细胞分泌的,运动后分泌量飙升了17倍。虽然之前有很多研究发现它与肌肉生成、产热/代谢、血管重塑和动脉粥样硬化有关,但是这还是第一次发现它以运动依赖的方式从Pdgfra阳性细胞分泌出来。
接下来,Long博士团队重点研究了分泌蛋白变化最剧烈的Pdgfra阳性细胞。
之前很多研究表明,Pdgfra阳性细胞可能是成纤维细胞、间充质干细胞或祖细胞/前驱细胞。于是,他们研究了Pdgfra阳性细胞在小鼠体内的组织定位,发现它分散在肺、脂肪组织(腹股沟和棕色)、肌肉、肠道、肾脏和大脑之中。Pdgfra阳性细胞分泌蛋白受运动的影响情况如下图所示。
还有两个有趣的发现是,运动对Pdgfra阳性细胞分泌蛋白的影响依赖于运动训练的频率,而且还有性别差异。这也暗示,不同的运动频率,给身体带来的好处可能是不一样的。
在研究的最后,Long博士团队以羧酸酯酶CES2A和CES2C为例,证实肝脏分泌这俩蛋白的水平增加确实是对1周运动的反应。此外,他们还揭示了背后的机制,运动产生的乳酸进入肝细胞,促进了羧酸酯酶的产生。
近年来,已经有研究发现CES2在肝脏的过表达可以抗肥胖、抗脂肪变性和抗糖尿病,但是由于CES2之前被认为定位于细胞里的内质网,因此并没有发现它可能是通过分泌到细胞外发挥作用。Long博士团队证实,确实是分泌到细胞外的CES2发挥上述功能。
此外,他们还发现CES2A和CES2C抗肥胖的作用机制也存在差异。过表达CES2A可以提高小鼠的跑步速度和耐力,而CES2C则没有这个功能。不过,过表达CES2C带来的代谢益处与运动有叠加效应,而过表达CES2A则没有这个叠加效应。从二者对下游的影响来看,CES2C的抗肥胖作用与诱导循环脂质种类的改变有关,而CES2A则无关。
总的来说,Long博士团队绘制的这个泛器官细胞类型特异性分泌蛋白图谱,详尽地揭示了运动对不同组织器官存在深刻的影响,而且这种影响具有细胞类型特异性和双向性。Pdgfra阳性细胞作为对运动反应最剧烈的细胞类型,以后或许会成为研究重点。
此外,由于运动频率也会影响分泌蛋白的变化水平,因此,未来可以研究不同的运动模式对分泌蛋白的影响,或许可以据此开发出个性化的运动方案,更好地满足锻炼者的需求。
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