身体活動の分子変換コンソーシアム（MoTrPAC）:ラットでの耐久運動訓練の時間的効果の初の全生物分子マップ
以下、日本語訳・要約 written with ChatGPT4
運動がどのように健康を改善し維持するかを分子レベルで解明することを目的としたNIHの「身体活動の分子transducerコンソーシアム（MoTrPAC）」の一環
すべての試験された体の組織が持久力トレーニングに反応し、35,000を超える生物学的分子が時間と共に適応することが明らかになった。通常運動と関連しないとされる臓器も含まれた。雄と雌のラットの反応には顕著な違いが観察され、臨床前研究において両性を含める必要性を強調している。
研究者たちは、運動研究で以前には詳しく探求されていなかった副腎のミトコンドリアにおいて、特に大きな変化を確認した。
脳、副腎、肺、脂肪組織など複数の組織における性差に基づく分子応答の違いも明らかになった。
これらの発見は、性別によって異なる運動指導が提案される可能性がある特定の状態、例えば肥満などに影響を与えるかもしれない。
主文：
定期的な運動は広範囲にわたる健康効果を提供し、全原因死亡率、心血管代謝疾患や神経学的疾患、がんやその他の病理のリスクを減少させます。運動は、ほとんどすべての臓器システムに影響を与え、健康の改善または疾病リスクの軽減に寄与します。その有益な効果は、多くの組織や臓器システムにわたる細胞内および分子的な適応から生じます。これらのイベントを研究するために、トランスクリプトーム、エピゲノーム、プロテオーム、メタボロームを含む様々な「オミクス」プラットフォームが使用されてきました。しかし、これまでの研究は通常、一つまたは二つのオミクスを一つの時点でカバーしており、性別に偏りがあり、しばしば単一の組織に焦点を当てており、最も多いのは骨格筋、心臓、または血液です。他の組織を考慮する研究は少ないです。したがって、運動訓練による適応の分子的基盤を理解するためには、運動の効果について包括的で生物全体にわたるマルチオミックマップが必要です。このニーズに対応するために、身体活動の分子変換コンソーシアム（MoTrPAC）が設立され、動物モデルと人間の骨格筋、脂肪組織、血液における運動反応の分子マップを構築することを目的としています。ここでは、雄および雌のラットでの耐久運動訓練の時間的効果の初の全生物分子マップを提示し、このMoTrPACマルチオミックデータリソースによって可能にされた複数の洞察を提供します。
耐久運動トレーニングのマルチオミクス分析
6か月齢の雄と雌のフィッシャー344ラットに、1週間、2週間、4週間、または8週間の進行性トレッドミル耐久運動トレーニング（以後、耐久トレーニングと呼ぶ）を施し、最後の運動セッションの48時間後に組織を採取しました（図1a）。性別に合わせた非運動、未訓練のラットを対照として使用しました。トレーニングは顕著な表現型の変化をもたらし（拡張データ図1a-d）、特に8週間で雄ラットは最大酸素摂取量（VO2 max）が18％、雌ラットは16％増加しました（拡張データ図1a）。雄ラットの体脂肪率は8週間で5％減少しました（拡張データ図1b）、しかし、無脂肪体重には顕著な変化はありませんでした（拡張データ図1c）。雌ラットでは、トレーニング4週間または8週間後に体脂肪率の変化はなく、非運動の対照群では4％増加しました（拡張データ図1b）。雌ラットの体重はすべての介入グループで増加しましたが、雄ラットでは変化はありませんでした（拡張データ図1d）。
b, この研究に含まれる分子データセットの概要。血液、血漿、および18種類の固形組織について、動物ごとに最大9種類のデータタイプ（オーム）が生成されました：
ACETYL：アセチルプロテオミクス、タンパク質サイトのアセチル化；
ATAC：クロマチンアクセシビリティ、ATAC-seqデータ；
IMMUNO：多重免疫測定；
METAB：メタボロミクスおよびリピドミクス；
METHYL：DNAメチル化、RRBSデータ；
PHOSPHO：ホスホプロテオミクス、タンパク質サイトのリン酸化；
PROT：グローバルプロテオミクス、タンパク質の量；TRNSCRPT：トランスクリプトミクス、RNA-seqデータ；
UBIQ：ユビキチローム、タンパク質サイトのユビキチン化。組織のラベルは、この研究を通じて使用される各組織の位置、色コード、および略称を示しています：
ADRNL、副腎；BAT、褐色脂肪組織；BLOOD、全血、血液RNA；COLON、結腸；CORTEX、大脳皮質；HEART、心臓；HIPPOC、海馬；HYPOTH、視床下部；KIDNEY、腎臓；LIVER、肝臓；LUNG、肺；OVARY、卵巣；PLASMA、血漿；SKM-GN、腓腹筋（骨格筋）；SKM-VL、大腿直筋（骨格筋）；SMLINT、小腸；SPLEEN、脾臓；TESTES、精巣；VENACV、大静脈；WAT-SC、皮下白色脂肪組織。
各組織ラベルの横にあるアイコンは、その組織で生成されたデータタイプを示します。 c, 5% FDRでのトレーニング調整機能の数。各セルは単一の組織およびデータタイプの結果を表しています。色は測定された特徴の差分の割合を示します。
全血、血漿、および18種類の固形組織は、ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、タンパク質免疫測定技術を使用して分析され、ほとんどのアッセイはこれらの組織の一部で実施されました（図1bおよび拡張データ図1e, f）。各オミック解析の詳細は、拡張データ図2、方法、補足議論、および補足表1に提供されています。分子アッセイは、利用可能な組織量と生物学的関連性に基づいて優先され、ガストロクネミウス（腓腹筋）、心臓、肝臓、白色脂肪組織で最も多様な分子アッセイが実施され、その次に腎臓、肺、褐色脂肪組織、海馬が続きます（拡張データ図1e）。合計で、9,466のアッセイから211の組織と分子プラットフォームの組み合わせを通じて生成されたデータセットは、681,256の非エピジェネティックおよび14,334,496のエピジェネティック（還元表現ビスルファイトシークエンシング（RRBS）およびトランスポザーゼアクセス可能クロマチン使用シークエンシング（ATAC-seq））の測定値を含み、それぞれ213,689および2,799,307のユニークな非エピジェネティックおよびエピジェネティックの特徴に相当します。
差分解析は、耐久訓練に対する分子応答を特徴づけるために使用されました（方法）。各特徴のトレーニング応答の全体的な重要性が、トレーニングP値として示され、35,439の特徴が5％の偽発見率（FDR）でトレーニング調節差分特徴を構成します（図1cおよび補足表2）。時間ごとの要約統計は、各性別と時点での運動訓練効果を定量化します。
トレーニング調節分子は、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、免疫測定機能を含むすべてのオームでほとんどの組織において観察されました（図1c）。観察された時間的効果は控えめであり、特徴ごとの最大倍率変化の56％が0.67から1.5の間でした。順列検定により、グループまたは性別のラベルを順列すると、ほとんどの組織で選択された分析物の数が有意に減少することが示されました（拡張データ図3a–dおよび補足議論）。
トランスクリプトミクスでは、視床下部、大脳皮質、精巣、大静脈がトレーニング調節遺伝子の割合が最も少なく、血液、褐色および白色脂肪組織、副腎、大腸ではより広範な効果が示されました（図1c）。
プロテオミクスでは、ガストロクネミウス、心臓、肝臓でタンパク質の量と翻訳後修飾（PTM）の顕著な差異的調節が示され、白色脂肪組織、肺、腎臓のタンパク質の量ではより限定的な結果が得られました。
メタボロミクスでは、すべての組織で一貫して大量の差異代謝物が観察されましたが、絶対数は使用されたメタボロミクスプラットフォームの数に関連していました（拡張データ図1e）。訓練期間を通じて組織やオームにわたる大量の差異特徴は、耐久訓練に対する分子適応の多面的で生物全体的な性質を強調しています。
Multi-tissue response to training
この研究では、ガストロクネミウス、心臓、肝臓、白色脂肪組織、肺、腎臓といった分子プロファイリングが最も詳細に行われた6つの組織を対象に、組織特異的および複数組織におけるトレーニング応答性遺伝子発現を特定しました。これらのデータセットから11,407の差異特徴が特定され、全組織で7,115のユニークな遺伝子にマッピングされました。
訓練に応答する遺伝子の多くは組織特異的であり（67%）、白色脂肪組織で最も多く見られました。これらの組織特異的な訓練応答遺伝子によって豊かにされた経路が特定され、組織特異的な訓練適応についての洞察を得るために特に特異的な遺伝子のサブセットがまとめられました。
性別に関わらず保存された応答に焦点を当てると、組織依存的な適応が明らかになりました。これには肺の免疫細胞のリクルートメントと組織のリモデリング、肝臓の補因子およびコレステロールの生合成、心臓のイオンフラックス、ガストロクネミウスの代謝プロセスと横紋筋収縮が含まれます。
2,359の遺伝子が少なくとも2つの組織で差異的特徴を持っていました。肺と白色脂肪組織は独自に共有された遺伝子が最も多く（n=249）、主に免疫関連の経路が豊かにされており、肺では炎症の減少、白色脂肪組織では免疫細胞のリクルートメントの増加が示唆されています。
全6組織で訓練調整された22の遺伝子は、特に熱ショック応答経路で豊かにされていました。運動は様々な齧歯類および人間の組織で熱ショックタンパク質（HSPs）の発現を誘発します。転写体学およびプロテオミクスデータの焦点分析により、主要なHSPsであるHSPA1BとHSP90AA1を含むHSPsの顕著な増加が明らかにされました。
また、運動の降圧効果とインスリン感受性を高める効果に関与するとされるカリクレイン-キニノゲン系の一部である酵素KNG1およびKNG2の調整も、普遍的な耐久訓練応答として観察されました。
Transcription factors and phosphosignalling
プロテオミクスとトランスクリプトミクスのデータを使用して、耐久トレーニングへの反応としての転写因子とリン酸化シグナリング活性の変化を推測しました（方法論）。
複数の組織にわたって転写因子の濃縮を比較し、血液中で血液形成に関連する転写因子GABPA、ETS1、KLF3、ZNF143が濃縮されていることを観察しました（図3a）。
心臓と骨格筋では、Mef2ファミリーの転写因子モチーフの濃縮クラスターを観察しました。MEF2Cは筋肉関連の転写因子で、筋骨格、心臓、平滑筋細胞の分化に関与し、血管の発達や心臓ループの形成、ニューロンの分化にも影響を与えます（図3a）。
多くの組織でキナーゼのリン酸化シグネチャーが変化しました。これには、心臓、腎臓、肺でのAKT1、心臓、腎臓、白色脂肪組織でのmTOR、心臓と腎臓でのMAPKが含まれます（図3b）。
肝臓では、EGFR1、IGF、HGFなどの肝再生の調節因子に関連するリン酸化シグネチャーが増加しました。これらのHGFターゲットであるSTAT3とPXNのリン酸化増加は、運動に応じた肝再生のメカニズムを示唆しています。
心臓のキナーゼは、耐久トレーニングへの反応としてその予測される基底活性において双方向の変化を示しました。複数のAGCプロテインキナーゼは活性の減少を示し、一方でチロシンキナーゼ（SRCおよびmTORを含む）は活性の増加が予測されました。
SRCの既知の標的リン酸化部位であるGJA1 pY265とCDH2 pY820は、トレーニングに応じてリン酸化が顕著に増加しました。GJA1 Y265のリン酸化は以前、心臓の電気伝導の重要な伝達器であるギャップ結合の崩壊を引き起こすことが示されています。
**耐久トレーニングへの反応としての細胞外マトリックスタンパク質の遺伝子セット濃縮分析（GSEA）**は、地下膜タンパク質などのタンパク質の減少を示す負の濃縮を明らかにしました。
Molecular hubs of exercise adaptation
組織間での耐久トレーニングに対する多次元オミックス応答を比較するために、34,244の差異特徴を経時的要約統計と共に経験ベイズグラフィカルクラスタリングアプローチを用いてクラスタリングしました。
クラスタリング結果をグラフに統合して、分子トレーニング応答のダイナミクスをまとめ、類似の反応を示す特徴群を特定しました。
多くのグラフィカルに定義されたクラスターで経路濃縮分析を実施し、潜在的な生物学的基盤を特徴づけました。
肝臓では、核受容体シグナリングや細胞老化の経路を含むクロマチンアクセシビリティの顕著な調節が見られました。
ガストロクネミウスでは、PPARシグナリング、脂質合成と分解に関連する用語がタンパク質レベルで濃縮されました。
肝臓と骨格筋（ガストロクネミウスと大腿直筋）を含む他の組織では、上方および下方に調節された特徴の数が比較的一貫していました。
3つの横紋筋（ガストロクネミウス、大腿直筋、心筋）で共有される分子応答に焦点を当て、8週目に性別に関係なく応答する最大のグラフィカルクラスタリングパスを特定しました。
ガストロクネミウスの8週目におけるアップレギュレートされた特徴のネットワーク接続性分析を通じて、筋肉適応プロセスに対する重要なクラスターを特定しました。
Connection to human diseases and traits
我々のデータの翻訳価値を体系的に評価するために、既存の運動研究と疾病オントロジー（DO）アノテーションを統合しました。
大腿直筋のトランスクリプトーム結果を、人間の骨格筋組織における長期トレーニング遺伝子発現変化のメタアナリシスと比較し、一貫した方向性での重要な重複を示しました。
8週間訓練された雌のラットのガストロクネミウスにおける差異的トランスクリプトと、運動能力が高いまたは低いため選択的に繁殖された非活動的および運動訓練された雌のラットのソレウスにおいて同定された異なる遺伝子発現との間にも重要な重複がありました。
人間における高強度インターバルトレーニングからの適応が、特に8週間訓練された雌のラットのプロテオミクス応答と有意に重なりました。
DO濃縮分析をDOSE Rパッケージを用いて実施し、白色脂肪組織、腎臓、肝臓からのダウンレギュレートされた遺伝子がいくつかの疾患項目で濃縮されました。これは運動応答と2型糖尿病、心血管疾患、肥満、腎疾患との関連を示唆しています。
これらの結果は、ラットからのデータが人間の研究と高い一致を示し、人間の疾患に対する関連性を支持しています。
Sex-specific responses to exercise
多くの組織で性差が見られ、8週間のトレーニングで調節された特徴の58%が性差を示しました。副腎腺、肺、白色脂肪組織、肝臓のトランスクリプトとクロマチンアクセシビリティの特徴において性間で反対の反応が観察されました。
プロ炎症性サイトカインは組織間で性関連の変化を示し、特に女性特有のサイトカインはトレーニングの1週目と2週目の間に、男性特有のサイトカインは4週目と8週目の間に調節されました。
副腎腺では4000以上の差異遺伝子がトランスクリプショナルリモデリングを受け、トレーニング調節特徴の最大のグラフィカルパスが男女間で負の相関を示しました。このパスの遺伝子はステロイドホルモン合成経路と代謝、特にミトコンドリア機能に関連していました。
肺ではトレーニングによる男性主体のリン酸シグナリング活動の減少が観察され、PRKACAのリン酸化シグネチャーが性差を示しました。これは肺構造や機械的機能の変化におけるPRKACAの性依存的な役割を示唆しています。
褐色および白色脂肪組織では男性のみで免疫経路の顕著なアップレギュレーションが見られ、免疫細胞マーカーとの強い正の相関が示されました。これは周辺免疫細胞の動員または組織内免疫細胞の増殖を示唆しています。
小腸は免疫関連経路の濃縮が最も高い組織の一つであり、8週間でトランスクリプトのダウンレギュレーションと女性でのより強固な反応が見られました。これらのトランスクリプトは腸炎に関連する経路で顕著に濃縮されていました。
耐久トレーニングは炎症性腸疾患の遺伝的リスクローカスを含むトランスクリプトの発現を減少させ、全身的な抗炎症効果をもたらす可能性があります。
Multi-tissue changes in mitochondria and lipids
心臓では、多くのオミックスにわたって様々な炭水化物代謝のサブカテゴリーが濃縮され、特に、グリコリシス-糖新生経路内の全ての酵素がGPI、FBP2、DLATを除いて一貫して存在量が増加しました。
酸化的リン酸化はほとんどの組織で濃縮され、筋肉組織の共同分析と一致し、ミトコンドリアの生合成の変化を示唆しています。
耐久トレーニングに対するミトコンドリアの比例変化をミトコンドリアRNAシークエンシングで推定し、遺伝子発現、タンパク質の存在量、タンパク質PTMを使用したGSEAでミトコンドリア機能の変化を評価しました。
骨格筋、心臓、肝臓においてミトコンドリアの生合成が増加していることが観察されました。また、副腎腺、大腸、肺、腎臓において性特異的なミトコンドリアの変化が確認されました。
肝臓では、プロテオーム、アセチローム、リピドームにわたる代謝経路の大幅な調節が観察され、特に「脂質および脂質関連化合物」に属する12の代謝物クラスが大幅に濃縮されました。
このため、両性で時間と共に存在量が増加する大規模な特徴群に焦点を当てました。これらの肝臓特徴の多くは、ミトコンドリア、アミノ酸および脂質代謝経路におけるタンパク質の存在量とアセチル化の変化に対応しています。
リン脂質の増加とトリアシルグリセロールの減少が観察されました。
最終的に、脂質代謝における重要な機能を持つオルガネラであるペルオキソソームからのタンパク質の存在量とアセチル化が増加しました。
これらの分子適応は、運動による肝臓健康の改善、特に過剰な肝内脂質貯蔵および脂肪肝に対する保護のメカニズムの一部を構成する可能性があります。
Discussion
全生物にわたる運動応答の分子マッピングは、運動の有益な効果を理解するために重要です。これまでの研究は、いくつかの組織、狭い時間範囲、または単一の性別に限定されていました。現在の研究を大幅に拡張し、19の組織で25の異なる分子プラットフォームを使用して、雄および雌のラットにおける耐久運動訓練の時間的変化を研究しました。それにより、mRNAトランスクリプト、タンパク質、翻訳後修飾、代謝物において、時間的および性別に偏った応答を含む、組織内および組織間の何千ものトレーニング誘発変化を特定しました。各オミックスデータセットは運動適応に関するユニークな洞察を提供し、全体的な理解には多次元分析が必要です。この研究は、私たちのデータリソースを解析することで期待されるメカニズムを再現し、新たな生物学的洞察を提供する方法を示しています。
この研究は、運動関連の健康改善および疾病管理の理解を深めるために活用できます。運動によるグローバルなヒートショック応答は、組織損傷や回復に関連する病理における細胞保護効果をもたらす可能性があります。肝臓のミトコンドリア酵素のアセチル化の増加や脂質代謝の調節は、運動が非アルコール性脂肪肝症や脂肪肝炎に対する保護と関連している可能性があります。同様に、運動によるサイトカイン、受容体、腸炎または炎症性腸疾患（IBD）に関連するトランスクリプトの調節は、腸の健康の改善と関連しているかもしれません。これらの例は、多オミックスアプローチによって明らかにされたユニークなトレーニング応答を強調しており、運動が全身および組織特異的な健康をどのように改善するかについての仮説駆動型の研究に活用できます。
私たちは実験デザイン、データセット、分析に制限があることを認識しています（補足議論）。短期的には、最後の運動後48時間でサンプルを採取して持続的な変化を捉えるため、急性反応は除外されます。アッセイはバルク組織で行われ、単一細胞プラットフォームはカバーされていません。私たちのリソースは一部の組織のオミックス特性が限定的であり、生物学的に関連する新しいプラットフォームは使用されていませんでした。さらに、私たちの結果は仮説生成であり、生物学的検証が必要です。これを支援するために、この研究から公開アクセス可能な組織バンクを設立しました。
このMoTrPACリソースは、耐久トレーニング応答の分子マップを強化および精錬する将来の機会を提供します。このデータセットは、ラットの組織および性別特異的な分子変化を人間に翻訳するための継続的なプラットフォームとして残ると期待されます。MoTrPACはこのリソースへのアクセス、探索、解釈を容易にするために広範な努力をしています。データハブを開発してデータの簡単な探索とダウンロードを可能にしました（https://motrpac-data.org/）、再現可能なソースコードを提供し、Rでのデータ取得と分析を容易にするソフトウェアパッケージを開発しました（MotrpacRatTraining6moとMotrpacRatTraining6moData）、そしてデータ探索のための視覚化ツールを開発しました（https://data-viz.motrpac-data.org）。
全体として、この多オミックスリソースは耐久トレーニング適応の分子変化の環境を研究するための広く有用な参照として機能し、運動が健康と病気に与える影響を理解するための新しい機会を提供します。
MoTrPAC Study Group, Lead AnalystsとMoTrPAC Study Group. 「Temporal dynamics of the multi-omic response to endurance exercise tra ining」. Nature 629, no. 8010 (2024年5月): 174–83. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06877-w .
定期的な運動は全身の健康を促進し、病気を予防しますが、その背後にある分子メカニズムは完全には理解されていません。ここで、身体活動の分子変換コンソーシアムは、雄および雌のラット（Rattus norvegicus）を対象に、8週間の耐久運動トレーニングを行いながら、全血、血漿、および18種類の固形組織での時間的な転写体、プロテオーム、メタボローム、リピドーム、ホスホプロテオーム、アセチルプロテオーム、ユビキチルプロテオーム、エピゲノーム、イムノームをプロファイリングしました。この結果得られたデータ集は、19種類の組織、25の分子プラットフォーム、4つのトレーニング時点で9,466のアッセイを含むものです。何千もの共有および組織特異的な分子変化が特定され、複数の組織で性差が見られました。時間的マルチオミクスおよびマルチ組織分析により、耐久トレーニングへの適応反応に関する広範な生物学的洞察が明らかになり、免疫、代謝、ストレス応答、ミトコンドリア経路の広範な調節が含まれます。多くの変化は、非アルコール性脂肪肝疾患、炎症性腸疾患、心血管健康、組織の損傷と回復など、人間の健康に関連していました。この研究で提示されたデータと分析は、耐久トレーニングのマルチ組織分子効果を理解し、探求するための貴重なリソースとして機能し、公開リポジトリで提供されています。