运动与蛋白质组：生物标记物在确定人类运动反应方面的潜在价值
2021年5月，贝斯以色列女执事医疗中心、慕尼黑工业大学、格拉茨技术大学等单位的研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“Human plasma proteomic profiles indicative of cardiorespiratory fitness”的研究论文，阐明了与心肺适应性相关的生物学途径，并突出了蛋白质生物标志物在识别人的运动反应性方面的潜在附加价值。
亮点概述：
鉴定出147种和102种分别与基线VO2max和ΔVO2max相关的血浆蛋白。
在基于临床特征的评分中加入从这些蛋白质中提取的蛋白质生物标志物评分，可以改善对个体ΔVO2max的预测。
在一个单独的运动队列中验证了研究结果，21种蛋白质与社区队列中发生的全因死亡率联系起来。
使用基于抗体的分析重现了主要研究结果的约75%的特异性。
研究背景
摄氧量（VO2）代表人体对骨骼肌供氧的能力，反映了多种器官系统和细胞过程的整合，包括肺通气，氧气通过循环系统的携氧能力和通过循环系统的运输，运动单元的中枢神经系统募集，毛细血管-骨骼肌水平的氧气扩散和提取，以及线粒体呼吸。最大摄氧量（VO2max）定义了这些过程的极限，因此被广泛认为是心肺适应性（CRF）的金标准。
因此，VO2max（作为CRF的直接指标）已被确立为心血管疾病（CVD）和全因死亡率的有力预后指标。VO2max与CVD和死亡率风险呈反比关系，既适用于其基线测量值（本征VO2max），也适用于通过有规律的体育锻炼来改善VO2max的能力（获得性或适应性VO2max；ΔVO2max）。VO2max和ΔVO2max的两个基线量度在一般人群中似乎有很大差异。
鉴于我们对CRF的生物学基础及其与长期健康结局的密切关系的不完全了解，揭示VO2max的分子决定因素可能有助于深入了解身体健康与幸福感之间的机制联系。实际上，这已经成为医学界的重要目标。目前，很少有关于人类CRF血浆蛋白质组学特征的数据，特别是在运动训练的背景下。这些限制部分是由于捕获循环蛋白质的高度动态范围所涉及的技术挑战。
研究人员通过在超过650名健康但久坐的参与者中应用大规模亲和力为基础的平台，在20周监督耐力训练干预前后，比较基线VO2max的循环蛋白质组学特征及其对运动计划的适应性。HERITAGE队列由成年父母及其生物学后代组成。研究人员使用多重单链DNA适体（SOMAmers）测定法测量了约5,000种蛋白质，首先测试了后代中基线VO2max的年龄和性别调整后的蛋白质关联（n = 503），然后试图在父代中复制我们的发现（n = 242）。再使用错误发现率（FDR）阈值<1％后，确定了与后代VO2max相关的94种蛋白质。亲本中VO2max的94种蛋白中有50种与标本显着相关，而90/94的蛋白在方向上是一致的。
后代和父母中与基线VO2max相关的蛋白质
在整个队列中，研究人员确定了147个与基线VO2max相关的循环蛋白，包括85个正相关的蛋白和62个负相关的蛋白。与基线VO2max呈正相关的蛋白跨器官系统和与CRF相关的生物过程，包括血管生成（例如细胞外基质蛋白1（ECM1）和炭疽毒素受体2（ANTXR2）），凝血和造血作用（例如补体衰减加速因子（DAF）和四连蛋白（TN））和脂质代谢（例如载脂蛋白F（APOF）和脂肪酶K（LIPK））。此外，研究人员还发现了大量与横纹肌结构和功能相关的循环蛋白。其中包括肌动蛋白和肌球蛋白稳定分子（例如，α-肌动蛋白2（ACTN2）和肌球蛋白2（MYOM2））；参与肌肉收缩的蛋白质（例如，肌钙蛋白I（TNNI2）和肌球蛋白结合蛋白C（MYBPC1））；以及两个重要的肌球蛋白轻链元件（MYL3和MYL6B），它们可调节肌肉跨桥循环过程中的力量产生。研究人员还确定了血浆中参与糖酵解的几种肌肉异构体特异性酶，包括β-烯醇酶（ENOB），ALDOA，磷酸甘油酸突变酶1（PGAM1）和2（PGAM2）以及乳酸脱氢酶α（LDHA）和β（LDHB）。
与基线和ΔVO2max相关的血浆蛋白
肌肉蛋白与基线VO2max呈正相关
研究人员在针对年龄、性别、BMI、种族、和VO2max基线水平调整的线性回归模型中找到了102个与ΔVO2max相关的基线蛋白。接着，研究人员进行了基因集富集分析（GSEA），以进一步阐明这组蛋白之间以及先前在基线VO2max分析中分别确定的蛋白的生化途径。结果发现，与ΔVO2max负相关的蛋白质富含ECM相关蛋白质，但是，正向相关的蛋白质富集了核心信号传导途径，包括血小板衍生的生长因子受体，神经营养蛋白和肝细胞生长因子途径的信号传导。这些生化途径与 GSEA 应用于与基线VO2max 相关的蛋白质后的富集途径形成对比。此外，研究人员还比较了与基线VO2max相关的蛋白质组和与运动训练适应性VO2max改变相关的蛋白质组，，发现两组之间的重叠最小。只有T132B、ATF6A、COL9A1、INS和PIANP五种蛋白质与基线VO2max和ΔVO2max相关。
与ΔVO2max或基线VO2max相关的蛋白质的GSEA
随后，研究人员试图确定基线血浆蛋白是否能够提高预测运动训练中最大摄氧量变化的能力。首先使用包括年龄、性别、种族和BMI在内的临床特征模型进行了受试者工作特征（ROC）分析，使VO2max相对变化> 15％。曲线下面积（AUC）为0.62。对5,000种蛋白质进行特征选择和弹性净回归建模，最终得到了56种蛋白质。接下来，研究人员将蛋白质组添加到临床特征模型中，AUC显著增加到0.81。表明血浆蛋白可改善ΔVO2max反应的预测。
相对Vo2max的ROC曲线随运动训练>15%而变化
研究人员之前在弗雷明翰心脏研究（FHS）后代研究中进行了蛋白质组学分析。在与HERITAGE中的ΔVO2max相关的102种蛋白质中，两个批次的FHS中都有20种可用。 FHS中提供了与基线VO2max相关的147种蛋白质中的36种。在年龄和性别校正分析中，36个蛋白质中有12个与基线VO2max相关，20个蛋白质中有9个与基线VO2max相关ΔVO2max也与事件全因死亡率相关。接下来，研究人员使用这些蛋白质组（分别为12个和9个蛋白质）进行逐步回归，以估计年龄、性别和批次之外每种蛋白质解释的全因死亡率的百分比变化。在与ΔVO2max相关的蛋白中，巨噬细胞金属蛋白酶（MMP12）与全因死亡率最相关。
最后，研究人员使用基于抗体的蛋白质组学平台（Olink Explore）在HERITAGE特定样品中测试了基于适体的主要研究结果的可重复性。结果表明，从HERITAGE获得的25个基于适体的最佳蛋白质发现中，有19个与基于抗体的等效测定具有良好的相关性。此外，研究人员利用质谱（MS）和基因分析来支持适体分析的特异性。在21种与全因死亡率显著相关的蛋白质中，17种在顺式位点（在蛋白质同源基因转录起始位点1 Mb范围内）的全基因组显著相关，与适体-蛋白质关系的特异性一致。
在最佳发现中，基于适体和基于抗体的测定之间Spearman的相关性
总之，该研究确定了与VO2max相关的大量循环蛋白，并突出显示了其基线状态及其对耐力运动训练的适应性存在的不同特征。尽管该研究发现突出了与这些特性相关的特定蛋白质和生化途径，但对这些数据的进一步分析应产生更多的生物学见解，并激发模型系统的研究，以鉴定这些蛋白质的来源并评估其功能意义。