科学家绘制了运动如何影响身体的图表

麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员绘制了许多被运动或高脂肪饮食所改变的细胞、基因和细胞通路。他们希望他们的发现将有助于指导药物的设计，以模仿运动的一些有益效果。

　　

众所周知，运动可以帮助人们减肥和避免增重。然而，由于涉及的细胞和组织太多，因此很难确定这一过程背后的细胞机制。

在一项针对小鼠的新研究中，麻省理工学院和哈佛医学院的研究人员绘制出了许多被运动或高脂肪饮食所改变的细胞、基因和细胞通路，该研究扩展了研究人员对运动和饮食如何影响身体的理解。研究人员说，这些发现可能为药物提供潜在的靶点，有助于增强或模拟锻炼的益处。

麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的计算机科学教授、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的成员马诺利斯·凯利斯(Manolis Kellis)说:“了解驱动运动的有益影响和高脂肪饮食的有害影响的分子机制是极其重要的，这样我们就可以了解如何进行干预，并开发出模拟运动对多种组织影响的药物。”

研究人员对高脂肪或正常饮食的小鼠进行了研究，这些小鼠要么久坐不动，要么有机会随时锻炼。利用单细胞RNA测序，研究人员对骨骼肌和两种脂肪组织中53种细胞的反应进行了编目。

“我们在研究中发现的一个基本观点是，高脂肪饮食是如何推动所有这些细胞和系统向一个方向发展的，而运动似乎是如何推动几乎所有这些细胞和系统向相反的方向发展的，”凯利斯说。“研究表明，锻炼真的能对全身产生重大影响。”

凯利斯和哈佛医学院的医学教授、乔斯林糖尿病中心的高级研究员劳瑞·古德伊尔是这项研究的高级作者，今天发表在《细胞代谢》杂志上。MIT CSAIL的研究科学家杨杰坤;乔斯林糖尿病中心的医学讲师Maria Vamvini;和乔斯林糖尿病中心的医学讲师帕斯夸里·尼格罗是这篇论文的主要作者。

肥胖的风险

肥胖是全球日益严重的健康问题。在美国，超过40%的人口被认为肥胖，近75%的人超重。超重是许多疾病的风险因素，包括心脏病、癌症、阿尔茨海默病，甚至是Covid-19等传染病。

“肥胖和衰老是影响人类健康方方面面的全球性因素，”凯利斯说。

几年前，他的实验室对FTO基因区进行了一项研究，该基因区与肥胖风险密切相关。在2015年的研究中，研究团队发现，该区域的基因控制着一种途径，促使被称为祖脂肪细胞的不成熟脂肪细胞成为脂肪燃烧细胞或脂肪存储细胞。

这一发现表明，肥胖有明显的基因成分，这促使凯利斯开始研究运动是如何在细胞水平上作用于祖脂肪细胞的。众所周知，运动是一种可以预防肥胖的行为干预手段。

为了探索这个问题，Kellis和他的同事决定对三种组织进行单细胞RNA测序——骨骼肌、内脏白色脂肪组织(聚集在内脏器官周围，在那里储存脂肪)和皮下白色脂肪组织(发现于皮肤下，主要燃烧脂肪)。

这些组织来自四个不同实验组的小鼠。三周内，两组小鼠分别被喂食正常饮食和高脂肪饮食。在接下来的三周内，这两组人分别被进一步分为久坐组和运动组，后者可以持续使用跑步机。

通过分析这些小鼠的组织，研究人员能够全面地对53种不同细胞类型中被运动激活或抑制的基因进行分类。

研究人员发现，在所有三种组织类型中，间充质干细胞(MSCs)似乎控制了他们观察到的许多饮食和运动诱导的影响。骨髓间充质干细胞是一种干细胞，可以分化成其他类型的细胞，包括脂肪细胞和成纤维细胞。研究人员发现，在脂肪组织中，高脂肪饮食调节了骨髓间充质干细胞分化为储存脂肪细胞的能力，而运动则逆转了这一效果。

除了促进脂肪的储存，研究人员发现高脂肪饮食还刺激MSCs分泌重塑细胞外基质(ECM)的因子——一种包围和支持体内细胞和组织的蛋白质和其他分子网络。这种ECM重塑有助于为扩大的脂肪存储细胞提供结构，也创造了一个更炎性的环境。

凯利斯说:“当脂肪细胞因脂质超载时，就会产生极大的压力，这就会导致低度炎症，这种炎症是全身的，会持续很长时间。”“这是导致肥胖带来许多不利影响的因素之一。”

生理的影响

研究人员还发现，高脂肪饮食和运动对控制昼夜节律的细胞通路有相反的影响。昼夜节律是一个24小时周期，它控制着许多功能，从睡眠到体温、激素释放和消化。研究表明，锻炼可以促进调节这些节律的基因的表达，而高脂肪饮食则会抑制这些基因的表达。

“有很多研究表明，你在白天什么时候吃东西对你如何吸收卡路里非常重要，”凯利斯说。“昼夜节律的联系是非常重要的，它表明了肥胖和运动实际上是如何直接影响外周器官的昼夜节律的，这可能对远端时钟产生系统作用，并调节干细胞功能和免疫。”

然后，研究人员将他们的结果与与代谢特征相关的人类基因数据库进行了比较。他们发现，在这项研究中发现的两种昼夜节律基因，即DBP和CDKN1A，具有与人类肥胖风险较高相关的遗传变异。

Yang说:“这些结果帮助我们看到这些靶标的翻译价值，以及我们如何潜在地瞄准特定细胞类型中的特定生物过程。”

研究人员现在正在分析这项研究中小鼠的小肠、肝脏和脑组织样本，以探索运动和高脂肪饮食对这些组织的影响。他们还与人类志愿者一起开展工作，对血液和活组织组织进行取样，并研究人类和老鼠生理机能的异同。他们希望他们的发现将有助于指导药物开发人员设计出可能模仿运动的一些有益效果的药物。

“给每个人的信息应该是，如果可能的话，吃健康的饮食和锻炼，”凯利斯说。“对于那些因为很少获得健康食品、残疾或其他阻碍锻炼的因素，或只是缺乏时间拥有健康饮食或健康生活方式而无法做到这一点的人来说，这项研究表明，我们现在更好地处理了途径、特定基因、特定分子和细胞过程，我们应该对这些过程进行治疗。”

文章标题

Single-cell dissection of the obesity-exercise axis in adipose-muscle tissues infers a critical??role for??mesenchymal stem cells