Hapat e parë drejt një harte të gjithë trupit të përgjigjeve molekulare ndaj ushtrimeve

Hulumtimet konfirmojnë përfundimisht se aktiviteti lëvizës i muskujve dhe djegia e kalorive ngadalëson përparimin e sëmundjes, përmirëson funksionin njohës, rrit sistemin imunitar dhe zvogëlon shkallën e vdekshmërisë nga të gjitha shkaqet.

Shkencëtarët tani po shkojnë edhe më thellë në efektet e ushtrimeve te njerëzit dhe gjitarët e tjerë duke hetuar ndikimet e ushtrimeve në nivel molekular. Ata synojnë të zbulojnë, në shkallët më të vogla, ndikimet e ushtrimeve dhe të kuptojnë më mirë se si funksionon trupi në gjendje shëndetësore dhe sëmundjesh.

Molekulat janë grupe atomesh. Ato përfaqësojnë njësinë më të vogël të një përbërjeje kimike që mund të marrë pjesë në një reaksion kimik. Reaksione të tilla kimike në proteina, karbohidrate, lipide (yndyrna) dhe acide nukleike – “omikët” (përbërësit qelizor) që kontrollojnë funksionimin e brendshëm të çdo sistemi organesh.

Ushtrimi duket se i ndryshon këto kuaj pune molekulare në mënyra që nuk kuptohen mirë. Megjithatë, identifikimi i ndryshimeve të tilla jep premtimin e përfitimeve klinike për të gjithë njerëzit, pavarësisht nga mosha, gjinia, përbërja e trupit ose niveli i fitnesit.

Zanafilla e MoTrPAC

Në fund të vitit 2016, për të mësuar më shumë rreth ndryshimeve të shkaktuara nga ushtrimet në nivel molekular, Fondi i Përbashkët i Institutit Kombëtar të Shëndetit filloi të mbështesë kërkime të zgjeruara në hartimin e detajeve më të vogla se si stërvitja ndihmon në ruajtjen e indeve dhe sistemeve të organeve të shëndetshme. Kjo çoi në krijimin e një grupi kombëtar ekspertësh bashkëpunues të quajtur Konsorciumi i Transduktuesve Molekularë të Aktivitetit Fizik (MoTrPAC).

Që nga fillimi, Laboratori Kombëtar i Paqësorit Veriperëndimor (PNNL) – nën drejtimin e biokimistëve Josh Adkins dhe Wei-Jun Qian – ka qenë ndër qendrat mbarëkombëtare të ekspertizës së MoTrPAC në ushtrimet e kafshëve dhe njerëzve, analizave biomolekulare dhe bioinformatikës.

Qendrat e analizës biomolekulare të konsorciumit përdorin një qasje omike për të analizuar gjenet, proteinat ose biomolekulat e tjera në një nivel të gjithë trupit. Në fund të fundit, qëllimi i MoTrPAC është të krijojë një hartë molekulare të përgjigjeve të ushtrimeve si në modelet njerëzore ashtu edhe në ato të kafshëve. Nga muskujt në molekulë, një hartë e tillë do të ndihmonte në zbulimin se si ushtrimi ndikon në shëndetin.

“Aftësia për të parë përgjigje të gjera molekulare nëpër organe në trup është veçanërisht intriguese,” tha Qian i hartës molekulare. “Njohuri të tilla mund të jenë një faktor i fortë motivues për të ushtruar.”

Një theks në proteomikë

Roli kryesor i PNNL në MoTrPAC është të hetojë ndryshimet e shkaktuara nga ushtrimet në proteina dhe modifikimet pas përkthimit (PTMs). Proteinat përbëhen nga zinxhirë aminoacide që palosen në struktura tredimensionale dhe që më pas rregullojnë strukturën dhe funksionin e indeve dhe organeve. PTM-të janë ngjarje të përpunimit që ndryshojnë funksionet e proteinave duke modifikuar kimikisht aminoacide specifike brenda një proteine ​​të caktuar. Studimi i ndryshimeve në të gjitha proteinat e zbulueshme dhe PTM-të e tyre në një mostër quhet proteomikë.

“Ne kemi qenë qendror në hartimin e studimit të konsorciumit që nga fillimi, me theks në proteomikë,” tha Adkins. Ai pranoi një partner kritik: Steven Carr dhe grupin e tij të proteomikës në Institutin Broad, një qendër kërkimore e drejtuar nga Universiteti i Harvardit dhe Instituti i Teknologjisë në Massachusetts.

Një sfidë hartash

Në një përmbledhje të perspektivës 2020 në revistë Qelizë, Adkins dhe shkencëtari biomjekësor i PNNL, James Sanford, u bashkuan me bashkëautorë të tjerë për të përshkruar “bisedën e kryqëzuar” molekulare, një lloj telegrafi kimik i nxitur nga ushtrimet midis një sërë indesh. Studimi nënvizoi gjithashtu rëndësinë e hartës së shkëmbimeve të tilla molekulare.

Të Qelizë dokumenti prezantoi gjithashtu idenë e një grupi të dhënash publike MoTrPAC për të ndihmuar në gjetjen e mekanizmave të fshehur pas përfitimeve të ushtrimeve. Tani po lulëzon dhe po rritet. Një nga analistët kryesorë për grupin e të dhënave është kimisti i PNNL, Paul Piehowski.

Për Adkins, Qian dhe të tjerët në ekipin MoTrPAC të PNNL, kërkimi i proteomikës varet nga instrumentet në Laboratorin e Shkencave Molekulare të Mjedisit (EMSL), një objekt përdoruesi i Departamentit të Energjisë së Zyrës së Shkencës që ndodhet në kampusin PNNL. Aftësitë e EMSL përfshijnë një sërë spektrometrash masi orbitrap të nivelit të lartë. Ata prodhojnë analiza që ndihmojnë në identifikimin dhe përcaktimin sasior të proteinave dhe molekulave të tjera nga një sërë llojesh dhe mostrash të indeve.

MoTrPAC “është i madh në shtrirje,” tha Adkins. “Shkalla e funksionimit të PNNL na lejon të bëjmë diçka të kësaj madhësie me cilësi shumë të lartë dhe riprodhueshmëri të lartë operacionale.” Ai e quajti rolin PNNL-EMSL në MoTrPAC “një turne de force për një studim proteomik. Pak në këtë shkallë janë bërë më parë.”

Një gazetë e parë e madhe

Studiuesit e MoTrPAC në mbarë vendin kontribuan në një studim të 2 majit 2024 në revistë Natyra. Ky dokument i parë i madh që doli nga konsorciumi ofron hartën e parë të të gjithë organizmit të përgjigjeve molekulare ndaj stërvitjes së rezistencës.

Organizmi model i eksperimentit ishte miu. Minjtë meshkuj dhe femra të së njëjtës specie vrapuan në rutine me motor për periudha 1-, 2-, 4- dhe 8-javore. Për kontrollet, studiuesit përdorën minjtë e ulur, të patrajnuar, të përshtatur për seks me homologët e tyre që ushtrojnë.

Brenda 48 orëve nga çdo interval trajnimi, studiuesit mblodhën mostra të gjakut të plotë, plazmës dhe 18 indeve të ngurta dhe i shpërndanë ato në qendrat omics si PNNL për analiza intensive.

Nga mostrat e shumta, tha Adkins, “Ne duam të kuptojmë integrimin e sistemeve të organeve.” Përgjigjet molekulare në trup ndaj stërvitjes së qëndrueshmërisë janë të gjithë sistemit, thonë autorët e Natyra letër – një përfundim i konfirmuar nga integrimi i mostrave të indeve në një sërë analizash omike.

Rezultatet e tjera ishin të rregulluara më mirë. Ushtrimi përmirëson shëndetin e mëlçisë dhe metabolizmin, për shembull. Ai gjithashtu rimodelon dhe forcon strukturën e zemrës, përmirëson rrugët që lidhen me integritetin e zorrëve (shëndeti i zorrëve është i lidhur me inflamacionin në të gjithë trupin), pasuron rrugët imune dhe redukton inflamacionin në mushkëri dhe zorrën e hollë. Më e rëndësishmja, thonë autorët, dallimet gjinore të vërejtura në përgjigjet e trajnimit nxjerrin në pah se sa e rëndësishme është përfshirja e të dy gjinive në hulumtimin e ushtrimeve.

Problemi miu-njeri

Përkthimi i të dhënave të minjve në përfundime të rëndësishme për njerëzit është sfidues. Megjithatë, minjtë janë modeli i preferuar i kafshëve, sepse modelet e sinjalizimit të muskujve skeletorë miu-njerëzor dhe të sistemit të organeve janë të ngjashme. Kështu janë metabolizmi i glukozës dhe përgjigjet kardiake të shkaktuara nga ushtrimet. Për më tepër, masat e mëdha të indeve të minjve ofrojnë mostra më të mira se minjtë për analizën multiomike.

“Këto të dhëna do të na ndihmojnë të sjellim njohuri nga miu në sferën njerëzore,” tha Adkins.

Për të ndihmuar në mbylljen e hendekut të të dhënave miu-njerëz, konsorciumi MoTrPAC ka në zhvillim një eksperiment me përgjigje ushtrimesh që regjistron përgjigjet molekulare ndaj stërvitjes së qëndrueshmërisë dhe stërvitjes së rezistencës në një grup prej 2,000 vullnetarësh të rritur njerëzorë.

Vështrime, me më shumë në rrugë

E fundit Natyra Dokumenti ofron atë që Adkins e quajti “një pamje peizazhi” të kërkimit kombëtar shumëqendror të MoTrPAC. Në të njëjtën kohë, studime të tjera në vazhdim po marrin pamje më të ngushta dhe më të detajuara të të dhënave të konsorciumit. Sanford i PNNL është pjesë e një ekipi kërkimor që tregon se si multiomics ndihmojnë në identifikimin e programeve kryesore rregullatore të gjeneve që hyjnë në lojë gjatë stërvitjes.

Ekipi i Sanford po shikon mijëra ndryshime molekulare të vëzhguara. Ata përfshinin mënyrën se si stërvitja rregullon shprehjen e gjeneve në lidhje me ndryshimet mitokondriale, përgjigjet e goditjes së nxehtësisë, rregullimin imunitar dhe proceset e tjera molekulare.

Sanford i është bashkuar gjithashtu biokimistes së biostrukturës dhe funksionit të PNNL Gina Many dhe shkencëtarit të të dhënave PNNL Tyler Sagendorf në një analizë të të dhënave të vrapimit të minjve për të hetuar dimorfizmin seksual në përgjigjet e indit dhjamor të bardhë.

Dhimbja e bardhë është një sistem organi ruajtjeje dhe sekretimi i lidhur me zhvillimin e obezitetit, sëmundjeve kardiovaskulare, diabetit të tipit 2, kancerit dhe kushteve të tjera. Ky lloj yndyre ka gjithashtu efekte të rëndësishme në sistemin imunitar dhe procese të tjera biologjike që ruajnë shëndetin sistemik.

Deri më tani, analiza duket se demonstron se te minjtë ka dallime “të thella” në përgjigjen e indit dhjamor të bardhë midis gjinive. Ndërsa trajnimi fizik përfiton minjtë e të dy gjinive, vetëm minjtë meshkuj i përgjigjen ushtrimeve duke humbur indin e bardhë dhjamor. Tek minjtë femra, stërvitja i pengon ata të fitojnë masë dhjamore.

Hulumtime të tilla të fokusuara ngushtë përdorin grupin e të dhënave MoTrPAC për të kërkuar njohuri se si ushtrimi ndikon në indet individuale ose procese specifike biologjike.

Një hetim i MoTrPAC që po zhvillohet, për shembull, shikon se si stërvitja ndikon në transkriptimin e gjeneve. Ky është procesi i kopjimit të informacionit nga një varg i ADN-së në një molekulë të quajtur ARN mesazher (mRNA), e cila transmeton informacionin gjenetik në zonat e qelizave ku prodhohen proteinat. Një shembull tjetër i hulumtimit në progres ka të bëjë me ndikimin e ushtrimeve në përgjigjen mitokondriale. Mitokondria, e pranishme në qelizat e gjitarëve, rregullon prodhimin e energjisë dhe përgjigjen ndaj stresit.

Çdo studim më i vogël i bazuar në aspekte të veçanta të të dhënave të MoTrPAC, tha Adkins, “është një pjesë e një vizioni më të madh”. Ky vizion është i konsorciumit: të hartojë ndryshimet molekulare të trupit pas stërvitjes.