Dévoiler le monde moléculaire caché de l'exercice

Une activité physique prolongée chez le rat entraîne de profonds changements dans ARNprotéines et métabolites dans presque tous les tissus, fournissant des indices sur de nombreux problèmes de santé humaine.

Les bienfaits de l'exercice sur la santé sont bien connus, mais de nouvelles recherches montrent que la réponse du corps à l'exercice est plus complexe et plus profonde qu'on ne le pensait auparavant. Dans une étude sur des rats, une équipe de scientifiques de partout aux États-Unis a découvert que l’activité physique provoque de nombreux changements cellulaires et moléculaires dans les 19 organes étudiés chez les animaux.

L'exercice réduit le risque de nombreuses maladies, mais les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement comment l'exercice modifie le corps au niveau moléculaire. La plupart des études se sont concentrées sur un seul organe, sexe ou moment précis et n’incluent qu’un ou deux types de données.

Analyse moléculaire complète

Pour jeter un regard plus complet sur la biologie de l'exercice, des scientifiques du Consortium des transducteurs moléculaires de l'activité physique (MoTrPAC) ont utilisé un ensemble de techniques en laboratoire pour analyser les changements moléculaires chez les rats alors qu'ils étaient soumis à des semaines d'exercice intense. . Leurs conclusions ont été publiées le 1er mai dans la revue Nature.

L’équipe a étudié une gamme de tissus provenant d’animaux, tels que le cœur, le cerveau et les poumons. Ils ont découvert que chacun des organes examinés changeait avec l’exercice, aidant ainsi le corps à réguler le système immunitaire, à réagir au stress et à contrôler les voies liées aux maladies inflammatoires du foie, aux maladies cardiaques et aux lésions tissulaires.

Implications potentielles sur la santé

Les données fournissent des indices potentiels sur de nombreux problèmes de santé humaine différents ; par exemple, les chercheurs ont trouvé une explication possible à la raison pour laquelle le foie devient moins gras pendant l'exercice, ce qui pourrait aider au développement de nouveaux traitements contre la stéatose hépatique non alcoolique.

L'équipe espère que leurs découvertes pourront un jour être utilisées pour adapter l'exercice à l'état de santé d'un individu ou pour développer des traitements imitant les effets de l'activité physique pour les personnes incapables de faire de l'exercice. Ils ont déjà commencé des études sur des personnes pour suivre les effets moléculaires de l’exercice.

Collaboration de recherche plus large

Lancé en 2016, MoTrPAC rassemble des scientifiques du Broad Institute of MIT et Harvard, l'Université Stanford, le Instituts nationaux de la santé, et d'autres institutions pour faire la lumière sur les processus biologiques qui sont à l'origine des bienfaits de l'exercice sur la santé. Le projet Broad a été conçu à l'origine par Steve Carr, directeur principal de la plateforme protéomique de Broad ; Clary Clish, directrice principale de la plateforme métabolomique de Broad ; Robert Gerszten, membre associé principal du Broad et chef de la médecine cardiovasculaire au Beth Israel Deaconess Medical Center ; et Christopher Newgard, professeur de nutrition à l'Université Duke.

Les co-premiers auteurs de l'étude comprennent Pierre Jean-Beltran, chercheur postdoctoral dans le groupe Carr à Broad au début de l'étude, ainsi que David Amar et Nicole Gay de Stanford. Courtney Dennis et Julian Avila, tous deux chercheurs du groupe de Clish, étaient également co-auteurs du manuscrit.

« Il a fallu un village de scientifiques dotés de formations scientifiques distinctes pour générer et intégrer la quantité massive de données de haute qualité produites », a déclaré Carr, co-auteur principal de l'étude. « Il s’agit de la première carte de l’organisme entier examinant les effets de l’entraînement sur plusieurs organes différents. La ressource produite sera extrêmement précieuse et a déjà produit de nombreuses informations biologiques potentiellement nouvelles pour une exploration plus approfondie.

L’équipe a rendu toutes les données animales disponibles dans un référentiel public en ligne. D'autres scientifiques peuvent utiliser ce site pour télécharger, par exemple, des informations sur les protéines qui changent en abondance dans les poumons des rats femelles après huit semaines d'exercice régulier sur un tapis roulant, ou sur la réponse ARN à l'exercice dans tous les organes des rats mâles et femelles au cours de cette période. temps.

Analyse du corps entier

Mener une étude aussi vaste et détaillée a nécessité beaucoup de planification. « Le degré de coordination que tous les laboratoires impliqués dans cette étude ont dû faire était phénoménal », a déclaré Clish.

En partenariat avec Sue Bodine du Carver College of Medicine du Université de l'Iowadont le groupe a collecté des échantillons de tissus d'animaux après huit semaines de formation, d'autres membres de l'équipe MoTrPAC ont divisé les échantillons afin que chaque laboratoire – l'équipe de Carr analysant les protéines, celle de Clish étudiant les métabolites et d'autres – examine des échantillons pratiquement identiques.

« De nombreuses études à grande échelle se concentrent uniquement sur un ou deux types de données », a déclaré Natalie Clark, informaticienne du groupe de Carr. « Mais nous avons ici un large éventail d'expériences différentes sur les mêmes tissus, ce qui nous a donné un aperçu global de la manière dont toutes ces différentes couches moléculaires contribuent à la réponse à l'exercice. »

Au total, les équipes ont réalisé près de 10 000 analyses pour réaliser environ 15 millions de mesures sur le sang et 18 tissus solides. Ils ont découvert que l’exercice avait un impact sur des milliers de molécules, les changements les plus extrêmes se produisant dans la glande surrénale, qui produit des hormones qui régulent de nombreux processus importants tels que l’immunité, le métabolisme et la tension artérielle. Les chercheurs ont découvert des différences entre les sexes dans plusieurs organes, notamment liées à la réponse immunitaire au fil du temps. La plupart des molécules de signalisation immunitaire propres aux femmes ont montré des changements de niveaux entre une et deux semaines d'entraînement, tandis que celles des hommes ont montré des différences entre quatre et huit semaines.

Certaines réponses étaient cohérentes selon le sexe et l’organe. Par exemple, les chercheurs ont découvert que les protéines de choc thermique, produites par les cellules en réponse au stress, étaient régulées de la même manière dans différents tissus. Mais d’autres informations étaient spécifiques aux tissus. À leur grande surprise, l'équipe de Carr a découvert une augmentation de l'acétylation des protéines mitochondriales impliquées dans la production d'énergie et d'un signal de phosphorylation qui régule le stockage d'énergie, tous deux modifiés dans le foie pendant l'exercice. Ces changements pourraient aider le foie à devenir moins gras et moins sujet aux maladies liées à l'exercice, et pourraient donner aux chercheurs une cible pour de futurs traitements de la stéatose hépatique non alcoolique.

Nouvelles connaissances biologiques

« Même si le foie n’est pas directement impliqué dans l’exercice, il subit néanmoins des changements qui pourraient améliorer la santé. Personne n'imaginait que nous observerions ces changements d'acétylation et de phosphorylation dans le foie après un entraînement physique », a déclaré Jean-Beltran. « Cela montre pourquoi nous déployons toutes ces différentes modalités moléculaires : l'exercice est un processus très complexe, et ce n'est que la pointe de l'iceberg. »

« Deux ou trois générations d'associés de recherche ont mûri sur ce projet de consortium et ont appris ce que signifie concevoir avec soin une étude et traiter des échantillons », a ajouté Hasmik Keshishian, responsable principal du groupe de Carr et co-auteur de l'étude. « Nous voyons maintenant les résultats de notre travail : des découvertes biologiquement pertinentes qui proviennent des données de haute qualité que nous et d’autres avons générées. C'est vraiment enrichissant.

D'autres articles du MoTrPAC publiés le 1er mai incluent des analyses plus approfondies de la réponse de la graisse et des mitochondries dans différents tissus à l'exercice. D'autres études MoTrPAC sont en cours pour étudier les effets de l'exercice sur les rats jeunes adultes et plus âgés, ainsi que les effets à court terme de périodes d'activité physique de 30 minutes. Le consortium a également commencé des études sur l'homme et recrute environ 1 500 individus d'âges, de sexes, d'ascendances et de niveaux d'activité divers pour un essai clinique visant à étudier les effets des exercices d'endurance et de résistance chez les enfants et les adultes.

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Les scientifiques décodent l’impact moléculaire de l’exercice.

Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health.