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大家都知道運動有助於減肥和控制體重。不過，運動為什麼可以發揮這些作用？運動之後，全身肌肉和脂肪中的各種細胞、基因和細胞內的分子究竟會發生什麼變化？《細胞》子刊Cell Metabolism上的一項新研究對此做出了詳細回答。
這項研究由哈佛大學喬斯林糖尿病中心（ Joslin Diabetes Center）的Laurie J. Goodyear教授和麻省理工學院計算機科學教授Manolis Kellis合作展開。研究團隊設計了一項對照實驗，用單細胞RNA測序的方法，比較了高脂肪飲食與健康飲食的年輕小鼠分別經過三周的運動後，骨骼肌、內臟脂肪、皮下脂肪這三類組織的不同細胞組分發生了哪些變化。
研究人員劃分整理了53種不同類型的細胞對運動和肥胖的反應，在三種組織中發現了1386個基因有明顯的表達變化。
▲實驗示意圖：一組小鼠正常飲食作為對照，一組吃高脂肪食物而發胖；接下來，每組中的一半小鼠隨時可以跑步，另一半則被關在無聊的鼠籠里沒有運動（圖片來源：參考資料[1]）
不出意外，在肌肉和脂肪的各種細胞中，都可以看到肥胖和運動產生了截然相反的影響。
例如，在肌肉和脂肪組織中，研究人員都發現間充質幹細胞（MSC）受到了肥胖和運動的明顯影響。間充質幹細胞可以分化為其他類型的細胞，比如脂肪細胞和成纖維細胞。在脂肪組織中，高脂肪飲食讓間充質幹細胞增強了向脂肪儲存細胞的分化，而運動則逆轉了這一影響。
這些數據還進一步顯示出了哪些分子途徑受到運動和肥胖調節。其中尤其顯著的是細胞外基質（ECM）和調節晝夜節律的基因。
▲肥胖和運動對皮下脂肪（scWAT）、內臟脂肪（vWAT）和骨骼肌（SkM）的細胞組分產生了相反影響（圖片來源：參考資料[1]）
細胞外基質由細胞分泌到胞外的大分子構成，為細胞的生存和活動提供支持。肥胖上調了ECM相關的分子途徑，重塑ECM為脂肪儲存細胞提供了更多的場地，並創造了一個炎症性更強的環境；運動則會下調ECM相關途徑。
晝夜節律則是體內自帶的生物鐘，從睡眠、體溫到消化、激素分泌等許多生理功能在24小時內的波動起伏受到晝夜節律的調控。而這項研究表明，運動可以促進調節晝夜節律的基因的表達，但高脂肪飲食則會抑制這些節律。
儘管這些數據都來自小鼠實驗，但研究人員將結果與人類基因資料庫進行比較後發現，小鼠實驗中觀察到的兩個晝夜節律基因（DBP和CDKN1A），在人類中與升高肥胖風險的遺傳變異有關。
「這些結果有助於我們看到這些分子靶點的轉化價值，以及我們如何靶向特定細胞類型的特定生物過程。」研究論文的第一作者Jiekun Yang博士指出。
▲研究示意圖（圖片來源：參考資料[1]）
由於飲食和生活習慣的變化，肥胖已經日益成為全世界範圍的健康問題。越來越多的研究顯示，肥胖和超重是很多疾病的風險因子，例如心血管疾病、癌症、阿爾茨海默病，以及包括新冠感染在內的傳染病。
而此次研究提供的大量數據則清楚地表明，運動可以有效地從基礎層面對抗肥胖，也就不難理解為什麼運動可以帶來很多全身性的好處，不止是控制體重，還可以增強免疫功能、延緩衰老等。
當然，通過了解運動對各種組織、細胞類型造成的分子變化，科學家也有望發現潛在的藥物靶點來模擬或增強運動的好處，造福更多人。「這項研究告訴我們每一個人，儘可能的吃健康食物和多鍛煉。」Kellis教授總結說，「但有些人，可能難以獲得健康食品，或是由於殘障等原因難以運動，或是僅僅因為沒有時間等條件限制而無法以健康方式生活，這項研究想要傳達的信息是，我們現在對特定的分子途徑、特定的基因有了更全面的認識，有望通過操縱特定的分子和細胞過程進行治療。」
參考資料：
[1] Jiekun Yang et al., (2022) Single-cell dissection of the obesity-exercise axis in adipose-muscle tissues implies a critical role for mesenchymal stem cells. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.09.004
[2] Exercise and obesity have opposite impact on muscle, fat tissues, researchers demonstrate. Retrieved Oct. 10, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/966981
[3] Scientists chart how exercise affects the body. Retrieved Oct. 10, 2022 https://news.mit.edu/2022/genes-pathways-exercise-fat-loss-1004
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