科研 | Cell reports：人体抗阻和耐力运动的血浆代谢谱

编译：红烧大肥鸥，编辑：Tracy、江舜尧。

原创微文，欢迎转发转载。

导读

运动有益于人类健康的机理仍未完全了解。随着组学技术的出现，绘制运动的分子反应图谱越来越容易。本研究中，我们从一项随机的抗阻和耐力运动交叉研究中对受试者血浆进行非靶向代谢组学分析，这两种类型的骨骼肌活动对人类生理产生不同的影响。高分辨率的时间序列分析揭示了许多代谢途径中的共同以及特定运动模式的扰动，此外，该分析揭示了运动引起的代谢产物变化，这些变化被认为是信号分子。因此，我们提出了一种代谢组学特征以说明不同的运动模式如何以时间分辨的方式影响机体。

论文ID

原名：Plasma Metabolome Profiling of Resistance Exercise and Endurance Exercise in Humans

译名：人体抗阻和耐力运动的血浆代谢谱

期刊：Cell reports

IF：8.109

发表时间：2020.12

通讯作者：Christoffer Clemmensen

通讯作者单位：丹麦哥本哈根大学卫生和医学科学学院诺和诺德基金会基础代谢研究中心

实验设计

实验结果

1.   运动模式对血浆代谢组的影响

为了了解不同的运动模式如何影响血浆代谢组，健康的男性受试者需要进行抗阻运动（EE）或耐力运动（RE）。所有受试者均采用随机交叉的方式进行两种运动，两次回合之间休息1周，在运动前1 h和运动后立即进行血液采样。在3 h的恢复阶段中，我们进一步收集受试者的6个血液样本以评估对运动的延迟代谢反应（图1A）。本研究使用非靶向代谢组学方法分析血样，期间，我们使用内标和QC样品监测分析质量，发现所有样品中内标的曲线下面积（AUC）相对标准偏差（RSD）中值为5%，QC样品中检测到的代谢物的相对标准偏差(RSD)中值为10%，表明分析质量较好。我们发现运动方式代谢反应间存在相似性和显著的差异。分析检测到了836种代谢物，主成分分析（PCA）揭示了两个数据集的明确差异，表明了不同运动模式特异性的代谢扰动（图1B和1C）。进一步的数据分析包括层次聚类分析（HCA）和预测变量的重要性指标（VIP）用于识别代谢模式，暗示运动模式的特异性调节或运动本身的调节（图1D）。虽然时间分辨的调节可表明新陈代谢的动态，但我们还计算并比较了所有代谢物的AUC，以此作为总代谢途径干扰水平的指标，并为了解运动后血浆代谢物循环水平的重要性提供线索（图1D）。

图1 研究设计和分析方法

(A)10名年轻男性在第一周随机分为EE 1 h或RE 1 h，第二周则采用其他运动方式。在恢复3h前后和中间一个时间点获取血浆样品。共对160个样品进行了无偏代谢组学分析。（C）主成分分析（PCA）图，显示了取决于锻炼方式（三角形，阻力；加号，耐力）的数据分离。（D）层次聚类分析（HCA）和变量重要性指标（VIP）得分显示出不同的代谢组学特征和相似的代谢组学特征。对所有代谢物进行的曲线下面积（AUC）分析显示了运动后的整体通路障碍。（E）代谢产物的时间分辨调节。对每种运动模式的代谢组进行分析，以揭示不同和共享的代谢产物随时间的调节（F）运动模式依赖性调节。维恩图显示出运动模式，时间和交互作用的主要作用方面的代谢组调节。

2. 血浆代谢组对RE和EE的时间分辨调控

在4 h内几乎所有检测到的代谢物都发生了变化。对每种运动模式进行的单因素方差分析表明，833种代谢产物中的666种和708种随EE和RE时间变化分别发生改变（图1E和1F），其中有51种是EE的差异性代谢物，而93种是RE的差异性代谢物。运动结束的瞬间，代谢物的重大变化反映出运动过程中底物的使用情况（例如乳酸和肌苷代谢物）。总的来说，与RE(259)相比在EE(364)期间更多的代谢物上调(图2A)；相反与EE(27)相比，RE(132)之后更多的代谢物被立即下调。在3小时恢复阶段的所有时间点都重复此模式，这表明EE的代谢产物最初是高度上调的，并且该响应在恢复阶段的过程中逐渐降低；而RE则相反，在恢复阶段下调的代谢物数量逐渐增加（图2A–2G）。

图2 VIP得分和调节的代谢产物

VIP评分显示了每个时间点数据差异最大的前10个代谢物。上调的RE代谢物或下调的EE代谢物显示为蓝点，下调的RE代谢物或上调的EE代谢物显示为红点。甜甜圈图显示了每种运动方式（上甜甜圈，上调；下甜甜圈，下调）所涉及的受调节代谢物的超级代谢途径。甜甜圈右侧的维恩图显示了每个时间点RE（蓝色）和EE（红色）的单独且统一的上调和下调代谢产物的数量。

一系列随时间变化的火山图（图3）说明了运动后代谢物总体上调和下调的过程，并提供了RE代谢物更持续上升的视觉线索。虽然火山图和受调节代谢物的维恩图提供了有关受特定锻炼方式影响的代谢物改变数量的广泛概述（图2和图3），但使用VIP值却可发现导致数据差别最大的单个代谢物得分（图2A–2G）。从这些分数中，我们发现EE和RE的代谢物均比其他模式高度上调，但总的来说RE在VIP值中比EE有更多的代谢物上调。尽管EE的上调代谢物数量较多，但在VIP评分上该上调水平的幅度表现不太明显，因此在评分中所占的比例也较低。

图3 代谢产物的火山图

火山图显示了两种运动模式在所有时间点下的全部代谢物。在图中标注了耐力（红色，n = 10个受试者）或抗阻运动（蓝色，n = 10个受试者）的所选代谢物。水平虚线表示p值为0.01的阈值，垂直虚线表示±2倍变化的阈值。

一些代谢物在VIP上的得分通常很高，包括次黄嘌呤、黄嘌呤、肌苷、丙酮酸、乳酸、亮氨酸和大量的酰基肉碱，这些代谢物参与嘌呤代谢、糖酵解、三羧酸、氨基酸分解和脂肪氧化。换句话说，所有较大的代谢途径都存在于这些评分中。

3. 聚类分析揭示EE和RE相似的动态特征但差异的代谢组

由于几乎所有的代谢物水平随时间而变化，因此针对每种运动模式随时间变化的100种最受调节代谢物进行了层次聚类分析（图4A和4C），这使得高度调控的代谢物可以根据随时间的反应分为六个主要组（图4A和4C）。我们计算Z值以比较每组的动态，揭示了两种运动模式的特定和共同的调节机制（图4B和4D）。

图4 层次聚类分析（HCAs）

（A和C）热图显示（A）EE和（C）RE随时间变化的前100个调控代谢物。HCAs显示了6个（EE）和6个（RE）不同的代谢物时间过程簇。（B和D）表示每一种运动模式的代谢物随时间的平均值图。甜甜圈图显示了每种运动模式所涉及调节代谢物的超级代谢途径。

随着时间的变化簇1（EE）和簇5（RE）呈恒定或持续的上调。两种运动模式均会诱导氨基酸代谢物，如2-酮丁酸酯（α-酮丁酸酯），但EE会特异性增加脂类代谢物（如BHBA），而RE特异性地引起核苷酸代谢物（如黄嘌呤）的持续增加。

簇2（EE）和簇1（RE）表现出运动后的初始下调，然后在恢复阶段接近静息水平快速上调。对于EE，这种调节方式几乎完全是酰基胆碱（例如油酰胆碱）的典型特征（占7种代谢物中的6种）。酰基胆碱也存在于RE的簇1中，表明这是运动本身固有的代谢组动力学特征。在簇2（RE）中我们观察到在恢复到甚至超过静息水平之前，下调时间更长。这种动态响应对于RE而言独一无二的，而对于脂质代谢物（例如癸酰肉碱）几乎是唯一的。

簇3（EE）和簇3（RE）代表慢性抑郁的血浆代谢物。两种运动模式均表现出外源活性物质的下调且脂质代谢物随着EE增加而减少，而支链氨基酸（BCAAs：异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸）随着RE的增加而减少。

第4组（EE）和第6组（RE）意味着运动后在恢复阶段缓慢恢复到静息水平上调，抗阻和耐力的代谢产物是BCAA代谢的降解产物（例如1-羧基乙基异亮氨酸和1-羧基乙基缬氨酸），而对于EE，酰基肉碱（例如油酰肉碱[C18:1]和棕榈酰肉碱[C16:1]）在该簇中表示；对于RE，三羧酸循环的代谢物（例如富马酸、苹果酸和2-酮戊二酸）则在簇6中发现。

簇5和簇6（EE）和簇4（RE）均表现出初始水平的上调，随后迅速下调静息水平，并在簇（EE）中持续下调至超出静息水平。对于EE，簇5和6中的代谢物主要是氨基酸（例如丙氨酸，天冬氨酸和蛋氨酸），酰基肉碱（例如月桂肉碱，癸酰基肉碱[C10]和辛酰基肉碱[C8]）以及脂解的标记物，例如甘油。而RE氨基酸和脂质代谢物中均存在这种模式，尤其是琥珀酸和磷酸盐等代谢物，这表明在这种运动模式下需要增加TCA循环活性和ATP代谢。呈现在这些簇中的选定代谢物以示意图形式给出，并针对两种运动模式分别说明了它们的时程图（图5）。

图5 主要代谢途径

（A1-A3）Cahill和Cori循环的代谢产物调节。（B）TCA的选定代谢物（蓝色）、嘌呤代谢（绿色）、氧化应激（黄色）和支链氨基酸（BCAA）（红色）的示意图。（C1-C4）（B）表示每个有色通路的个体代谢物反应。

4. 代谢组学分析显示EE的脂质利用以及RE的氨基酸和核苷酸分解

代谢物的急性上调和下调反映了运动和运动后恢复阶段代谢的动态。但是细微的长期调节可能会揭示出对运动代谢组调节同样重要的发现。随着时间的推移，代谢物水平的增加或减少提供了有关代谢物急性调节的更多信息，尤其是在代谢物作为信号分子的背景下。

因此，我们计算了所有代谢物的AUC，并对每种运动模式的最高（诱导）和最低（抑制）AUC排名前50位的代谢物进行了进一步分析（图6A-B）。

图6 总代谢途径干扰和脂质降解

（A和B）来自EE（A）和RE（B）的代谢产物最高的50个AUC。每种代谢物都会根据其所属的超路径进行着色和注释。（C）来自两种运动方式的酰基肉碱的AUC。数字1-8涵盖了肉碱组：1，肉碱和脱氧肉碱；2，二甲酸酯；3，羟基；4，长链饱和；5，中链；6，单不饱和；7，多不饱和；8，短链。（D）显示了乙酰肉碱（C2）的时间历程。

在对EE响应中具有最高AUC的代谢产物中我们看到大量的脂质代谢产物（图5A），包括具有最高AUC的酮代谢产物BHBA。对于RE，也存在脂质代谢产物包括甘油和乙酰犬尿素（C2），但是具有最高AUC的代谢产物是次黄嘌呤，这进一步强调了在整个恢复阶段中较高的ATP转化率（图5B和5C）。此外BCAA代谢的许多分解代谢物在RE后均以高AUC呈现，表明氨基酸代谢的扰动时间较长。RE诱导的代谢物（例如苹果酸，富马酸，丙酮酸和乳酸）的调节强调了通过这种运动模式的TCA循环和糖酵解对能量的快速需求。

值得注意的是，代谢产物琥珀酸和2-羟基丁酸在两种运动模式下都具有较高的AUC值。除了在三羧酸循环中大量的周转外，它们的调节表明对半胱氨酸产生谷胱甘肽的需求增加，从而导致2-羟基丁酸的形成；这说明在两种运动模式中都增加了活性氧的形成。

在肌肉收缩期间，酰基肉碱是线粒体燃料代谢的标志物。VIP评分、聚类和AUCs显示了两种运动模式之间酰基肉碱水平的明显差异(图2、4和6A-6C)。虽然几乎所有的酰基肉碱在反应EE时都会增加AUC，但在RE中并非如此；而且，AUC的增加似乎是酰基肉碱的不同亚群特异性的特征。在羟基-酰基肉碱的亚群的模式间观察到类似的响应，而对于中链酰基肉碱，在两种运动模式下均观察到不同的反应。乙酰肉碱（C2）随着剧烈运动而增加，当产量超过其在TCA循环中的利用率时，可作为增加辅酶A（CoA）的缓冲系统。因此，该代谢物可以作为运动诱导的绝对代谢应激的标记物，无论是在AUC还是在时间上对于EE和RE都有类似的反应（图6D）。

讨论

自古以来，运动对健康的好处就已得到公认，然而运动调节人类生物学的潜在机制仍未完全了解。现在，新兴的技术进步使人们能够全面了解运动参与的生化途径。在本篇文章中，我们采用了基于液相色谱-串联质谱（LC-MS）的非靶向代谢组学，以确定在人类中运动的时间分辨血浆代谢组学特征。EE与RE血浆代谢组的直接比较构成了一个表型资源，使人们能够进一步追求特定途径及其在运动生物学中的因果关系。

我们发现666种血浆代谢物的浓度受EE的调节，而708种血浆代谢物对RE的响应发生了变化。不管采用何种方式，随着运动而变化的代谢物数量都大大大于文献中通常发现的数量，但与最近对EE的多组学研究相一致。

不足为奇，两种运动方式都会引起与细胞能量代谢相关的代谢产物的重大变化，例如糖酵解和TCA循环以及全身底物代谢，还有氨基酸分解和脂质氧化。与EE相比，RE引起与糖酵解和TCA循环有关的代谢物（如丙酮酸，乳酸，苹果酸和AKG）的诱导幅度要高得多，而相对于RE，EE对琥珀酸的诱导作用更明显。鉴于越来越多的传统代谢物（例如琥珀酸酯和乳酸酯）作为细胞表面受体的配体具有代谢益处，因此了解其对不同运动类型的生理调节至关重要。我们的数据表明，乳酸是最高的RE诱导代谢产物之一，而值得注意的是，啮齿动物研究表明，乳酸可通过诱导神经元脑源性神经营养因子（BDNF）的表达来介导运动对学习和记忆的某些益处，而琥珀酸是EE诱导的最高代谢产物之一，琥珀酸血浆水平升高可作为产热脂肪细胞的燃料，从而增加能量消耗。此外最近的一项研究发现，运动诱发的琥珀酸盐可作为旁分泌信号来促进肌肉基质重塑和增强肌肉力量。数十年来众所周知的是，嘌呤代谢（腺嘌呤核苷酸代谢）会随着剧烈运动而增加。与预期一样，降解产物（如肌苷，次黄嘌呤和黄嘌呤）会随两种运动方式的增加而增加，而RE则表现更为明显；有趣的是，运动后的3 h一些嘌呤代谢产物保持升高。嘌呤的代谢与训练状态有关，并且可能参与多个年龄段的高强度无氧运动的适应性反应。

EE促进脂肪代谢，这反映在血浆中几种酰基肉碱水平的增加，因此运动过程中长链脂肪酸的不完全氧化推动着血浆中链酰基肉碱的增加。骨骼肌和肝脏被认为是酰基肉碱更新的主要贡献者，禁食后肝脏会引起血浆酰基肉碱的增加，而在EE过程中，骨骼肌可能导致血浆C6:0、C8:0、C10:0和C12:0肉碱水平的升高。在某些情况下，血浆酰基肉碱的增加可能反映了当酰基辅酶A进入线粒体的流入量超过脂肪酸氧化能力时的溢出效应，因此，血浆酰基肉碱的增加也与诸如肥胖症和2型糖尿病等病理性营养物质过多有关。中链酰基肉碱水平，特别是EE强度的增加，是否具有增强β-氧化能力的信号传递能力尚不确定。

酮BHBA是EE后最丰富的代谢产物（AUC），反映出高强度有氧运动的功效以加速从利用碳水化合物和葡萄糖到脂肪酸和酮作为燃料的新陈代谢转换。本研究中的运动干预是在禁食过夜后进行的，并且在运动中和运动后（3 h）均进行了能量限制，这可能有助于观察到两种运动方式下BHBA的增加。有趣的是，酮体除了作为能量消耗状态下的基本能量来源外还有其他的生物学优点，而增加的BHBA与运动和禁食相关的多种健康益处有关。因此，与乳酸一样，BHBA通过诱导海马和皮质BDNF表达增加而增强神经元连接性，对动物直接施用BHBA可改善学习和记忆能力。目前越来越清楚的是，BHBA是代谢转换的生物标志物，并可以影响神经元信号传导并增强突触可塑性和压力抵抗力。从机制上讲，BHBA对细胞健康的好处可能涉及BHBA介导的神经元HDAC抑制和/或HCA2受体激活（GPR109），因此，有报道称，通过BHBA激活HCA2具有抗炎和神经保护作用。

运动对神经元完整性和心理健康的益处还可能暗示源自色氨酸代谢的犬尿酸增加。这与最近的一项研究相一致，我们发现EE修饰了犬尿氨酸-犬尿酸的平衡，而RE则对犬尿氨酸-犬尿酸的平衡进行了较小程度的改变，这表明当试图了解运动对神经精神并发症（如抑郁症）的益处时，建议运动模式是一个相关的考虑因素。虽然可以通过抑制NMDA受体介导犬尿酸的神经保护作用，但犬尿酸还可以充当肌肉-脂肪信使，通过激活GPR35改善全身能量代谢。

结论

我们的研究提供了一个全面的、时间分辨的代谢谱，并比较了RE和EE急性发作的反应。不同的运动方式产生不同的分子特征这一事实是众所周知的，但经常被忽略。我们的数据清楚地表明，特定运动干预的分子反应必须在模式和生物学变化发生的时间过程的背景下解释。这项工作的转化潜力在于描述代谢产物的变化直接或间接控制运动的生理适应性机制，最终，可以利用对运动生物学知识的增强认识来改善几种慢性疾病的治疗选择。

原文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33378671