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本文全面综述了组学技术在骨骼肌运动研究中的应用。详细阐述了从基础到前沿的研究进展，涵盖转录组学、表观基因组学、蛋白质组学等多层组学（如 DNA 甲基化、mRNA 转录、蛋白质表达等），并探讨了单细胞组学等新技术，对深入理解骨骼肌运动适应机制意义重大。
1. 引言
组学技术能同时研究细胞内数千种分子，分析它们之间的相互作用，从 DNA（表观基因组）、mRNA（转录组）到蛋白质（蛋白质组和磷酸蛋白质组）等多个分子层面进行研究，这种多组学方法有助于理解骨骼肌对运动适应的复杂性，对提升人类健康和运动表现意义重大。
2. 人类骨骼肌运动组学的基础
早在 20 多年前，就有研究观察到人类骨骼肌在耐力或抗阻运动后基因表达会发生改变，而这一发现得益于 20 世纪 80 年代中期到 90 年代中期的临床前研究，这些早期研究虽技术相对简陋，但为 “分子运动生理学” 奠定了基础。
最初的人类肌肉转录组研究采用阵列技术，虽然基因组覆盖有限，但也揭示了一些关键信息，比如发现抗阻运动后，老年男性肌肉的转录反应比年轻男性更弱，这为解释衰老骨骼肌在运动训练中可塑性降低提供了分子依据。
如今，大规模多中心试验利用多组学方法绘制肌肉运动的 “组学图谱”，美国国立卫生研究院（NIH）的分子运动转导联盟（MoTrPAC）就是其中的代表，其研究成果进一步加深了人们对肌肉运动分子机制的理解。
3. 转录组学 —— 人类骨骼肌运动转录组研究的蓬勃发展
自 2000 年代初以来，骨骼肌运动转录组研究数量稳步增长，这得益于技术的飞速进步，如高覆盖阵列和 RNA 测序（RNA-seq）技术的出现。
目前，meta 分析开始解读人类骨骼肌运动适应的转录基础。例如，一项对 66 项已发表研究的 meta 分析发现，核受体亚家族 4A 组成员 3（NR4A3）对年轻健康个体的急性耐力和抗阻运动高度敏感，其蛋白在体外可调节肌肉细胞运动的代谢反应，这与体内的功能获得和缺失研究结果一致。
近期针对特殊人群的研究揭示了与长期耐力和抗阻训练适应、精英耐力运动员急性运动反应以及不同负荷条件下肌肉质量调节相关的 mRNA 和基因网络。
转录组研究虽然成果丰硕，但也存在局限性，例如无法捕捉运动对核糖体生物发生的影响。核糖体 RNA（rRNA）在骨骼肌总 RNA 中占比超过 80%，在转录分析中通常被排除，然而 rRNA 转录对运动敏感，且核糖体甲基化测序（RiboMeth-seq）等新兴技术表明，rRNA 甲基化的变化可能是肌肉适应的新机制。
此外，对所有运动响应基因的表征和编目，有助于将差异表达基因与已知影响肌肉生物学的基因进行交叉参考，从而找到有效的干预措施。不过，目前临床前模型中基因敲低或过表达的方法存在局限性，未来瞬态诱导基因表达的技术将更有助于研究运动后转录的 “脉冲” 性质。
4. 表观基因组学 —— 运动适应的表观遗传调控洞察
在转录上游，表观遗传因素如启动子区域 CpG 的 DNA 甲基化控制基因表达，进而影响肌肉运动适应。2012 年有研究报道，急性耐力运动可动态修饰人类骨骼肌中过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 共激活因子 - 1α（PGC1α）启动子区域的 DNA 甲基化，从而调控 PGC1α 基因表达。
后续研究发现，急性和慢性抗阻、耐力运动可导致人类骨骼肌组织中 DNA 甲基化在启动子、增强子、核糖体 DNA 等区域发生广泛变化。小鼠研究也表明，急性肌肉负荷和高容量抗阻训练可动态修饰肌纤维细胞核（肌核）内的 DNA 甲基化，且长期的甲基化变化可能形成 “肌肉记忆”，影响未来的运动适应。
同时，表观遗传谱技术的发展使得 DNA 甲基化与转录组的多组学整合成为可能，通过结合这两种组学数据，可以推断运动引起的表观遗传 - 转录调控机制。例如，结合肌核转录组和甲基组的研究发现，运动后特定时间点的甲基化变化与基因表达相关，这凸显了整合组学层次对于理解运动适应分子基础的重要性。
除了 DNA 甲基化，其他表观遗传调节因子如微小 RNA（miRNA）、长链非编码 RNA（lncRNA）等也在肌肉运动适应中发挥作用。肌肉富集的 miRNA（myomiR）对运动敏感，如 miR - 1 是骨骼肌中最丰富的 myomiR，它在运动时从肌肉纤维释放，可促进远处脂肪库的脂肪分解，还可能是肌肉质量的负调节因子。miR - 206 在激活的成肌祖细胞中含量丰富，可在肌肉负荷时从肌肉干细胞（卫星细胞）传递到肌肉纤维和纤维化细胞，影响细胞转录组，调控细胞外基质（ECM）重塑，促进肌肉肥大。lncRNA 也对运动有响应，可通过多种方式影响肌肉生物学，如调节纤维类型和肌肉质量，部分 lncRNA 还与抗阻运动诱导的骨骼肌肥大适应相关。
5. 蛋白质组学和磷酸蛋白质组学 —— 揭示运动适应的新调节因子
转录下游，蛋白质组和磷酸蛋白质组对运动的适应备受关注。蛋白质的丰度和激活最终决定细胞表型，因此全面了解急性和慢性运动的蛋白质组反应，有助于深入理解肌肉可塑性。
先进的蛋白质组学技术能够在人体活检样本中以纤维类型分辨率详细表征特定的骨骼肌蛋白质。例如，研究发现耐力运动训练后，参与转录、线粒体功能、钙信号传导、脂肪和葡萄糖代谢的蛋白质在不同纤维类型中有特异性表达模式。对线粒体蛋白质组的研究表明，耐力训练后，增强电子传递到氧化磷酸化对增加 ATP 生成比增加氧化磷酸化机制更为关键，而过强的运动可能导致线粒体紊乱。
此外，临床前模型研究也取得了进展，通过小鼠运动模型结合技术，发现了一些蛋白质组变化与肌肉质量和功能相关，为改善肌肉健康提供了潜在的治疗靶点。
在蛋白质 “激活” 方面，磷酸蛋白质组学研究揭示了运动后广泛的蛋白质修饰。例如，高强度耐力运动后，人类和啮齿动物的肌肉中存在广泛的磷酸化修饰，发现了一些新的蛋白质调节因子，如 18 号染色体开放阅读框 25（C18ORF25）是 AMP 激活蛋白激酶（AMPK）的底物，可调节骨骼肌收缩功能；三方基序包含蛋白 28（TRIM28）是肌肉大小和功能的重要调节因子。同时，蛋白质乙酰化组在高强度间歇训练后也发生变化，可能影响肌肉运动适应。
目前推荐的运动处方是耐力和抗阻训练相结合，但耐力训练可能通过 AMPK 和雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）之间的 “分子干扰” 影响抗阻训练的适应效果，不过这一观点尚未达成共识。未来通过蛋白质组 / 磷酸蛋白质组学方法研究同时进行两种训练的肌肉，有助于明确这一问题，优化运动处方。
6. 单细胞组学视角下的运动适应
将 RNA - seq 应用于肌肉组织的单细胞（scRNA - seq）和单细胞核（snRNA - seq）研究，为了解肌肉间质单核细胞群体和肌核在运动适应中的行为和相互作用提供了丰富信息，还发现了新的稀有细胞群体和稳态状态。
利用计算算法可推断细胞命运和细胞间通信。在小鼠肌肉再生和运动模型研究中，这些技术揭示了卫星细胞、成纤维脂肪祖细胞（FAPs）、免疫细胞、内皮细胞等多种细胞之间复杂而协调的相互作用。例如，在手术机械过载诱导的小鼠肌肉肥大模型中，scRNA - seq 发现卫星细胞与多种细胞类型存在通信网络，snRNA - seq 结合卫星细胞谱系追踪发现了一类特殊的卫星细胞亚群，它们可直接融合到肌肉纤维而无需先增殖。
非手术运动模型如小鼠的渐进式负重轮跑（PoWeR）实验表明，卫星细胞在运动后可正向影响肌核转录谱。不同运动方式和生理状态下的研究还发现，运动可影响免疫细胞转录组特征、细胞间通信，调节 ECM 相关途径和昼夜节律基因表达。
目前，人类肌肉运动的 scRNA - seq 研究相对较少，且单细胞和单细胞核技术存在转录本覆盖度低、样本处理过程引入变异、分析方法缺乏共识等问题。但将这些技术与甲基组、染色质可及性分析（ATAC - Seq）和蛋白质组学相结合，有望为研究肌肉运动适应提供前所未有的信息。
7. 结论与未来方向
组学技术的快速发展革新了骨骼肌运动研究。多组学研究多个分子层面（如甲基组、转录组、miRNA 组、蛋白质组、磷酸蛋白质组等）对急性运动和运动训练的反应，有助于确定治疗靶点和提升运动表现的干预措施。同时，还有许多其他蛋白质修饰组（如乙酰化组、泛素化组等）受运动影响，未来需同时分析这些组学，并结合代谢组学、脂质组学等技术，深入理解它们在运动中的相互作用和对运动介导表型的贡献。
在研究设计方面，应开展高时间分辨率的组学研究，因为随着训练进展，急性运动的分子反应可能在幅度和时间上发生变化，多组学时间进程研究有助于明确这些变化规律。此外，将组学与肌肉功能结果（如肌肉大小、收缩性能、代谢健康等）相联系，有助于指导治疗靶点的发现。
随着组学分析成本降低，单细胞和单细胞核 RNA - seq 以及空间转录组学在骨骼肌运动研究中可能会更普遍。这些技术将帮助揭示运动如何影响细胞类型比例、细胞状态转变和肌核特化，以及肌肉组织中单核细胞类型的旁分泌和物理相互作用的分子后果。而所有这些组学技术的成功应用和整合，依赖于计算工具的进步，如数据挖掘、基于网络的整合、机器学习和人工智能等技术，它们将助力发现新的运动适应分子机制，推动肌肉健康和运动表现提升的研究。
