坚持锻炼的表观遗传学意义

　　

生物通报道：众所周知，体育锻炼能够改善包括代谢、肺活量在内的多项身体机能。那么体育锻炼是怎样在分子水平上施加影响的呢？

人们发现，锻炼能促进肌肉重塑，改变肌肉的纤维结构和蛋白组成。“坚持体育锻炼对健康很有帮助，能够防治一系列常见疾病，比如心血管疾病和二型糖尿病。理解锻炼有益健康的具体机制，可以帮助我们进一步优化锻炼方法，”Karolinska大学医院的Francesco Marabita说。Marabita及其同事认为，体育锻炼时的肌肉重塑是由表观遗传学改变介导的。

合适的对照

Marabita等人招募了平时没有锻炼的12名男性和11名女性，对他们进行了为期三个月的测试。在人体内往往难以鉴定特定刺激引起的表观遗传学改变，因为有许多其他因素也会影响表观遗传学，比如饮食、压力水平、睡眠模式、激素水平和其他环境变化。为此，研究人员让志愿者们只用一条腿进行膝盖伸展运动。“未训练的那条腿代表着全身性的改变，可以成为良好的对照，”Marabita说。（延伸阅读：PNAS热点文章：表观基因组可因环境而改变）

“之前的肌肉锻炼研究主要是用芯片进行检测。我们采用了RNA测序，这种技术能够提供更高质量的数据、灵敏度和动态范围， 可以检测更多差异化表达的基因。此外，Illumina 450k甲基化芯片让我们以较低成本对基因组CpG甲基化进行单碱基分辨率的分析，”Marabita说。研究人员发现，坚持锻炼的那条腿中有839个位点的甲基化水平改变了5%以上，有4076个基因存在差异性表达。

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进一步研究表明，许多发生改变的甲基化位点位于基因的增强子区域，这些基因主要涉及肌肉生成、肌肉结构、肌肉功能和生物能量学。而存在表达差异的基因与肌肉的生理机能和代谢有关，比如胰岛素调控。

“我们发现，锻炼引起的转录应答可以分为三大类，涉及与形态学改变、细胞能量和转录调控有关的基因，”Marabita说。

研究显示，锻炼会显著下调转录调控基因，以及促进脂肪细胞分化和凋亡的基因。另一方面，锻炼会提高形态学改变相关基因的表达，包括细胞粘附、血管发育和组织细胞外基质的基因。锻炼之后，与细胞能量有关的基因也得到了适当上调，比如线粒体酶。

明确锻炼与表观遗传学改变有关，是理解环境对细胞影响的重要一步。“对于大多数人来说，坚持锻炼是比较容易做到的。像这样改变我们的生活方式，就可以对基因表达产生有益的影响，”Marabita总结道。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文：

1. Lindholm ME, Marabita F, Gomez-Cabrero D, Rundqvist H, Ekström TJ, Tegnér J, Sundberg CJ. An integrative analysis reveals coordinated reprogramming of the epigenome and the transcriptome in human skeletal muscle after training. Epigenetics. 2014 Dec 2;9(12):1557-69.

2. Marabita F, Almgren M, Lindholm ME, Ruhrmann S, Fagerström-Billai F, Jagodic M, Sundberg CJ, Ekström TJ, Teschendorff AE, Tegnér J, Gomez-Cabrero D. An evaluation of analysis pipelines for DNA methylation profiling using the Illumina HumanMethylation450 BeadChip platform. Epigenetics. 2013 Mar;8(3):333-46.