La ricerca conferma definitivamente che l'attività di movimento dei muscoli e di consumo di calorie rallenta l'avanzamento della malattia, migliora la funzione cognitiva, rafforza il sistema immunitario e riduce i tassi di mortalità per tutte le cause.
Gli scienziati stanno ora approfondendo ulteriormente gli effetti dell’esercizio fisico sugli esseri umani e sugli altri mammiferi, studiandone l’impatto a livello molecolare. Mirano a scoprire, su scala più piccola, gli impatti dell'esercizio fisico e a comprendere meglio come funziona il corpo in stati di salute e malattia.
Le molecole sono ammassi di atomi. Rappresentano l'unità più piccola di un composto chimico che può prendere parte ad una reazione chimica. Tali reazioni chimiche si verificano in proteine, carboidrati, lipidi (grassi) e acidi nucleici:gli "omici" (componenti cellulari) che controllano il funzionamento interno di ogni sistema di organi.
L’esercizio sembra modificare questi cavalli di battaglia molecolari in modi che sono poco conosciuti. L'identificazione di tali cambiamenti, tuttavia, promette benefici clinici per tutti gli esseri umani, indipendentemente dall'età, dal sesso, dalla composizione corporea o dal livello di forma fisica.
Alla fine del 2016, per saperne di più sui cambiamenti indotti dall’esercizio fisico a livello molecolare, il National Institutes of Health Common Fund ha iniziato a sostenere una ricerca più ampia sulla mappatura dei più piccoli dettagli di come l’esercizio fisico aiuta a mantenere sani i tessuti e i sistemi di organi. Ciò ha portato alla creazione di un gruppo nazionale di esperti collaborativi chiamato Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC).
Fin dall'inizio, il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), sotto la direzione dei biochimici Josh Adkins e Wei-Jun Qian, è stato uno dei centri di competenza nazionale del MoTrPAC nell'attività fisica umana e animale, nelle analisi biomolecolari e nella bioinformatica.
I centri di analisi biomolecolari del consorzio utilizzano un approccio omico per analizzare geni, proteine o altre biomolecole a livello dell'intero corpo. In definitiva, l’obiettivo di MoTrPAC è quello di creare una mappa molecolare delle risposte all’esercizio fisico sia in modelli umani che animali. Dal muscolo alla molecola, una mappa del genere aiuterebbe a rivelare come l'esercizio fisico influisce sulla salute.
"La capacità di vedere ampie risposte molecolari attraverso gli organi del corpo è particolarmente intrigante", ha affermato Qian della mappatura molecolare. "Tale conoscenza potrebbe essere un forte fattore motivante per l'esercizio."
Il ruolo principale del PNNL nel MoTrPAC è quello di studiare i cambiamenti indotti dall'esercizio nelle proteine e nelle modifiche post-traduzionali (PTM). Le proteine sono costituite da catene di amminoacidi che si ripiegano in strutture tridimensionali e che poi regolano la struttura e la funzione dei tessuti e degli organi. I PTM elaborano eventi che alterano le funzioni delle proteine modificando chimicamente amminoacidi specifici all'interno di una determinata proteina. Lo studio dei cambiamenti in tutte le proteine rilevabili e nei relativi PTM in un campione è chiamato proteomica.
"Siamo stati al centro della progettazione dello studio del consorzio fin dall'inizio, con particolare attenzione alla proteomica", ha affermato Adkins. Ha riconosciuto un partner fondamentale:Steven Carr e il suo gruppo di proteomica presso il Broad Institute, un centro di ricerca diretto dall'Università di Harvard e dal Massachusetts Institute of Technology.
In una panoramica prospettica del 2020 sulla rivista Cell , Adkins e lo scienziato biomedico del PNNL James Sanford si sono uniti ad altri coautori per descrivere il "cross talk" molecolare, una sorta di telegrafo chimico provocato dall'esercizio tra una varietà di tessuti. Lo studio ha inoltre sottolineato l'importanza di mappare tali scambi molecolari.
La cella Il documento ha anche introdotto l’idea di un set di dati MoTrPAC pubblico per aiutare a trovare i meccanismi nascosti dietro i benefici dell’esercizio. Ora è fiorente e in crescita. Uno degli analisti principali del set di dati è il chimico del PNNL Paul Piehowski.
Per Adkins, Qian e altri membri del team MoTrPAC del PNNL, la ricerca sulla proteomica dipende dagli strumenti dell'Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), una struttura utente dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'Energia situata nel campus del PNNL. Le capacità dell'EMSL includono una serie di spettrometri di massa orbitrap di fascia alta. Producono analisi che aiutano a identificare e quantificare proteine e altre molecole da una varietà di tipi di tessuti e campioni.
MoTrPAC "ha una portata enorme", ha affermato Adkins. "La scala operativa di PNNL ci consente di realizzare qualcosa di queste dimensioni con una qualità molto elevata e un'elevata riproducibilità operativa." Ha definito il ruolo del PNNL-EMSL nel MoTrPAC "un tour de force per uno studio di proteomica. Pochi su questa scala sono stati condotti prima."
I ricercatori del MoTrPAC a livello nazionale hanno contribuito a uno studio del 2 maggio 2024 pubblicato sulla rivista Nature . Questo primo importante documento prodotto dal consorzio fornisce la prima mappa dell'intero organismo delle risposte molecolari all'allenamento con esercizi di resistenza.
L'organismo modello dell'esperimento era il ratto. Ratti maschi e femmine della stessa specie correvano su tapis roulant motorizzati per periodi di 1, 2, 4 e 8 settimane. Per i controlli, i ricercatori hanno utilizzato ratti sedentari e non addestrati, abbinati per sesso con le loro controparti che praticavano attività fisica.
Entro 48 ore da ciascun intervallo di formazione, i ricercatori hanno raccolto campioni di sangue intero, plasma e 18 tessuti solidi e li hanno distribuiti in centri omici come PNNL per analisi approfondite.
Dei numerosi campioni, ha detto Adkins, "vogliamo comprendere l'integrazione dei sistemi di organi". Le risposte molecolari del corpo all'allenamento di resistenza sono a livello di sistema, affermano gli autori di Nature articolo:una conclusione confermata integrando campioni di tessuto in una serie di analisi omiche.
Altri risultati sono stati ottimizzati. L’esercizio fisico migliora la salute del fegato e il metabolismo, per esempio. Inoltre, rimodella e rafforza la struttura del cuore, migliora i percorsi legati all’integrità dell’intestino (la salute dell’intestino è collegata all’infiammazione in tutto il corpo), arricchisce i percorsi immunitari e riduce l’infiammazione nei polmoni e nell’intestino tenue. È importante sottolineare che, riferiscono gli autori, le differenze sessuali osservate nelle risposte all'allenamento evidenziano quanto sia importante includere entrambi i sessi nella ricerca sugli esercizi.
Tradurre i dati sui ratti in conclusioni rilevanti per gli esseri umani è impegnativo. Tuttavia, i ratti sono il modello animale preferito perché i modelli di segnalazione del muscolo scheletrico e del sistema di organi ratto-umano sono simili. Lo stesso vale per il metabolismo del glucosio indotto dall’esercizio fisico e le risposte cardiache. Inoltre, le grandi masse tissutali dei ratti forniscono campioni migliori rispetto ai topi per l'analisi multiomica.
"Questi dati ci aiuteranno a portare la conoscenza dei ratti nella sfera umana", ha affermato Adkins.
Per aiutare a colmare il divario di dati tra ratti e esseri umani, il consorzio MoTrPAC ha in corso un esperimento di risposta all'esercizio che registra le risposte molecolari all'allenamento di resistenza e all'allenamento di resistenza in una coorte di 2.000 volontari umani adulti.
La recente Natura l'articolo fornisce quella che Adkins ha definito "una visione paesaggistica" della ricerca nazionale multicentrica MoTrPAC. Allo stesso tempo, altri studi in corso stanno adottando visioni più ristrette e dettagliate dei dati del consorzio. Sanford del PNNL fa parte di un gruppo di ricerca che mostra come la multiomica aiuta a identificare i principali programmi di regolazione genetica che entrano in gioco durante l'esercizio.
Il team Sanford sta esaminando migliaia di alterazioni molecolari osservate. Hanno incluso il modo in cui l'esercizio regola l'espressione genetica correlata ai cambiamenti mitocondriali, alle risposte allo shock termico, alla regolazione immunitaria e ad altri processi molecolari.
Sanford si è anche unito alla biochimica di biostruttura e funzione del PNNL Gina Many e al data scientist del PNNL Tyler Sagendorf in un'analisi dei dati sui ratti in corsa per studiare il dimorfismo sessuale nelle risposte del tessuto adiposo bianco.
L’adiposo bianco è un sistema di organi di deposito e di secrezione legato allo sviluppo di obesità, malattie cardiovascolari, diabete di tipo 2, cancro e altre condizioni. Questo tipo di grasso ha anche importanti effetti sul sistema immunitario e su altri processi biologici che mantengono la salute sistemica.
Finora l'analisi sembra dimostrare che nei ratti esistono differenze “profonde” nella risposta del tessuto adiposo bianco tra i sessi. Mentre l’allenamento fisico apporta benefici ai ratti di entrambi i sessi, solo i ratti maschi rispondono all’esercizio perdendo tessuto adiposo bianco. Nelle ratte femmine, l'esercizio fisico impedisce loro di aumentare la massa grassa.
Tali indagini strettamente mirate utilizzano il set di dati MoTrPAC per cercare approfondimenti su come l'esercizio fisico influisce sui singoli tessuti o su specifici processi biologici.
Un’indagine MoTrPAC in corso, ad esempio, esamina come l’esercizio fisico influisce sulla trascrizione genetica. Questo è il processo di copia delle informazioni da un filamento di DNA su una molecola chiamata RNA messaggero (mRNA), che trasmette le informazioni genetiche alle aree delle cellule in cui vengono prodotte le proteine. Un altro esempio di ricerca in corso riguarda l’impatto dell’esercizio fisico sulla risposta mitocondriale. I mitocondri, presenti nelle cellule dei mammiferi, regolano la produzione di energia e la risposta allo stress.
Ogni studio più piccolo basato su aspetti separati dei dati MoTrPAC, ha affermato Adkins, "è un pezzo di una visione più ampia". Questa è la visione del consorzio:mappare i cambiamenti molecolari del corpo dopo l'esercizio.
Ulteriori informazioni: Dinamica temporale della risposta multi-omica all'allenamento di resistenza, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06877-w
Informazioni sul giornale: Natura , Cella
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
