運動,如何影響基因?

Comment

長期保有運動習慣不僅能促進健康與肌肉功能,而且可預防或緩和多種疾病,如肥胖、第二型糖尿病、以及心血管疾病等 [註 1]。過去認為運動就是透過不斷的操練肌肉和活絡神經而達到促進健康的效果,但背後的生理機制至今仍未完全解明。而近年來則發現,運動訓練對體內各種細胞的基因表現會有所影響 [註 2、3],對於健康和老化相關研究別具意義。

運動會影響肌肉基因的表觀遺傳表現

基因就像硬體,除非發生突變,否則從出生到死亡基本上不會有太大的改變。但基因表現在一生的各個階段會出現許多劇烈變化,而基因表現的調控機制就像軟體,會根據不同狀況促進或抑制基因活性。表觀遺傳學即為基因調控機制的一種,主要藉由DNA的甲基化 (DNA methylation) 與組蛋白 (histone) 的乙醯化 (acetylation)、去乙醯化 (deacetylation)、及甲基化 (methylation) 等來影響帶有基因序列的DNA之鬆緊和暴露程度,進而決定上面的基因能否順利表現。在 2014 年,Lindholm 等人讓 23 名年輕的健康男性與女性進行為期三個月、每週四次、每次 45 分鐘的單腿腳踏車訓練 (另外未受訓練的腿則作為對照組),並在開始前與結束後取雙腿肌肉樣本,分析基因體上四十八萬處的甲基化狀態,以及超過兩萬個基因之表現情形。這項重大實驗結果顯示,DNA 甲基化會改變將近 5,000 個基因的活性,其中與骨骼肌適應、血管新生,和碳水化合物代謝相關之基因均有表現加強的現象 [註 4]。此外,這項研究也發現主要發生甲基化改變的 DNA 區域並非位於傳統推測之啟動子 (promotor) 中,而是在距離較遠的增強子 (enhancer) 上。這一連串結果顯示肌肉細胞的表觀基因表現確實會隨肌力訓練改變,進而影響到整體的生理表現和肌肉 / 運動效率。

運動會影響 RNA 的選擇性剪接

另一種基因表現調控機制為選擇性剪接 (alternative splicing)。此機制發生於 DNA 轉錄後,前驅訊息RNA (precursor mRNA) 轉變為成熟 mRNA 的過程。透過此步驟,同一種前驅 RNA 可經由不同的剪接方式形成各種 mRNA 異構物 (isoform),進而產生相似卻又獨特的蛋白質。在過去的研究成果中,已發現運動訓練可改變某些基因的選擇性剪接而影響其產物;例如與製造粒線體 (產生細胞所需能量的胞器,別稱為細胞發電廠) 有關的 PGC1α 基因 [註 5]、可促進血管生成的 VEGFA 基因 [註 6]、以及與生長密切相關的 IGF1 基因 [註 7] 等,表現和產物均被報導會受到運動所影響。不過上述研究皆只看少數幾個基因,而為了從宏觀的基因體學角度分析,Lindholm 等人更進一步定序參加前述研究的 23 名受試者之腿部肌肉細胞 RNA,並將結果與肌力表現及肌肉活性酵素等因子作比較。

研究人員發現運動會造成 3,404 個基因產生不同的異構物,其中大部分與 ATP (細胞中的能量單位,可視為能量包) 製造有關;另外也發現了 34 個新種 mRNA [註 8]。這顯示運動訓練的確可以改變基因原先之表現方式,這或許和維持身體健康有密切的關係。不過研究人員也發現「一天捕魚,三天曬網」的運動方式沒什麼意義,因為受試者在休息九個月後,其基因表現多已回歸訓練前的狀態,有訓練和未訓練的腿肌間看不出顯著差異。此時,為探討「肌肉記憶」的現象,也就是先前經過訓練之肌肉在下次訓練是否能夠更快恢復原來的狀態,研究團隊選擇其中 12 人再次進行相同的運動流程;可惜,後來未能找到支持肌肉記憶假說的確切證據 [註 8]。

運動乃健康的原動力

由上述研究成果可知,運動和身體細胞的基因表現密不可分。但究竟要做到什麼程度才會有效果呢?如果您腦中還是過去的「運動 333」,也就是一週 3 次、每次 30 分鐘、心跳達每分鐘 130 次以上的話,請先把它忘掉;現在世界上採行的方式,是根據美國衛生及公共服務部於 2008 年所提出之美國體力活動準則 (2008 Physical Activity Guidelines for Americans),建議成人每週需要 150 分鐘的中強度有氧活動 (如快走) 或 75 分鐘的高強度有氧活動 (如跑步),加上至少兩次大肌群的肌力訓練 [註 9],才能達到對健康的助益。而所謂「戶樞不蠹,流水不腐」,研究顯示運動結果其實無法保持太久,故與其待衰退、生病後再接受治療,現在就展開規律運動保持身體健康,才是建構燦爛的人生的正確之道,不是嗎?當然,企圖誘導和複製運動後的各種基因表現之相關研究也在進行中,或許未來能取代運動的健康效益,但絕無法取代身體律動和汗水淋漓的舒暢感吧!

參考文獻:
1. Warburton DE et al. Int J Behav Nutr Phys Act 2010; 7:39.
2. Rönn T et al PLoS Genet 2013; 9:e1003572.
3. Keller P et al. J Appl Physiol (1985) 2011; 110:46-59.
4. Lindholm ME et al. Epigenetics 2014; 9:1557-69.
5. Ydfors M et al. Physiol Rep 2013; 1:e00140.
6. Jensen L et al. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2004; 287:R397-402.
7. Hameed M et al. J Physiol 2003; 547:247-54.
8. Lindholm ME et al. PLoS Genet 2016; 12:e1006294.
9. Physical Activity Guidelines Advisory Committee. Physical Activity Guidelines Advisory Committee Report, 2008. Washington, DC: U.S. Department of Health and Human Services, 2008.

 

本文授權轉載自:

基因領域最專業媒體團隊-基因線上GENEONLINE

作者

GeneOnline 基因線上

「基因線上」的專業團隊,追蹤全球基因產業的科技發展及文獻探討,即時提供全球華人醫師、生技人員及新聞媒體,最即時的基因科技與生醫資訊。遺傳學、優生、產檢、晶片、實驗室corelab

Up Next

相關的 文章

討論關於這個 post