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비만은 여러 골격근 손상과 관련이 있으며 이는 유산소 운동 처방을 통해 개선될 수 있습니다. 비만인 사람들의 운동 반응성이 감소할 가능성이 제시되었지만 잘 연구되지 않았습니다. 이 연구의 목적은 비만이 골격근과 순환 아미노 대사산물의 급성 운동 반응성에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것이었습니다. 비만이 아닌(NO; n = 19; 10F/9M; BMI = 25.1 ± 2.8 kg/m 2 ) 및 비만(O; n = 21; 14F/7M; BMI = 37.3 ± 4.6 kg/m 2 ) 성인이 VO 2 피크 의 70%에서 30분간 단발 사이클링을 수행했습니다 . 13 C 6 - 페닐알라닌은 근육 단백질 합성 측정을 위해 정맥 주사했습니다. 운동 전과 운동 후 3.5시간, 6.5시간에 연속 근육 생체검사(vastus lateralis)를 수집하여 단백질 합성과 유전자 발현을 측정했습니다. 표적 혈장 대사체학을 사용하여 운동 전과 운동 후 30분, 90분에 아미노 대사체를 정량화했습니다. 운동으로 유발된 혼합 근육 단백질 합성의 변화율은 NO(1.28±0.54배)에서 O(0.95±0.42배)에 비해 더 높은 경향을 보였고( p =0.058), BMI와 반비례했습니다( R2 =0.140, p =0.027). RNA 시퀀싱 결과 운동 후 NO와 O에서 각각 다르게 발현되는 유전자가 331개와 280개였습니다. 유전자 집합 풍부 분석 결과 O는 운동 후 대사, 세포 간 통신, 단백질 회전율과 관련된 6개의 둔화된 경로를 보였습니다. 순환 아민 반응은 기저 상태에서 비만 성인의 단백질 합성 및 대사와 관련된 조절 장애와 운동에 대한 반응을 더욱 강조했습니다. 이러한 데이터를 종합하면 비만인 개인의 몇 가지 고유한 경로가 강조되어 운동 반응이 약간 둔화되었습니다.
1. 서론
전 세계 비만 추세와 이에 따른 사회적 영향으로 인해 비만의 부담을 줄이기 위한 새로운 방법을 찾기 위한 지속적인 노력이 필요합니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 골격근은 관심 있는 조직입니다. 비만 환자의 골격근은 미토콘드리아 손상(Ritov et al., 2005 ), 산화 스트레스(Anderson et al., 2009 ), 이소성 지질 축적(Kelley & Goodpaster, 2001 ), 인슐린 저항성(DeFronzo & Tripathy, 2009 )을 나타내며, 이는 비만 관련 합병증에 기여하는 것으로 여겨집니다(Blüher, 2019 ). 이러한 부적응적 특성과 거대 영양소 대사에서 골격근의 핵심 역할은 비만 환자의 건강을 개선하기 위한 전략으로 골격근 건강을 목표로 하는 이니셔티브를 촉진했습니다. 신체 활동은 골격근 미토콘드리아 기능을 강화하고(Holloszy, 1967 ), 항산화 방어력을 상향 조절하고(Gomes et al., 2020 ), 이소성 지질 축적을 억제하고(Tarnopolsky et al., 2007 ), 인슐린 민감도를 향상시키고(Richter et al., 1982 ), 전반적인 대사 건강과 신체 기능을 개선하는(Hansen et al., 2009 ) 최전선 전략으로 인식됩니다.
신체 활동의 이점은 분명하지만 운동에 대한 반응에는 개인 간 이질성이 상당히 있습니다. 예를 들어, 8가지 다른 운동 훈련 연구에 대한 최근 분석은 심폐 기능에서 광범위한 개인 반응을 보여줍니다(Ross et al., 2019 ). 이러한 연구는 운동 비반응자의 개념과 반응자 계층을 정의하는 방법에 대한 논쟁을 불러일으켰습니다. 골격근의 분자적 및 세포적 사건의 관점에서 비만이 운동 반응성에 미치는 영향을 조사한 연구는 적습니다. 근육 단백질 합성(즉, 동화 반응)을 상향 조절하는 능력은 근육량 및 미토콘드리아 생물 발생과 같은 운동에 대한 많은 유리한 적응의 기초가 됩니다. 논란이 남아 있지만, 데이터는 일반적으로 비만인 개인이 영양 자극에 대한 동화 반응이 약화된 것을 시사합니다(Beals et al., 2016 , 2019 ; Guillet et al., 2009 ; Kouw et al., 2019 ; Paulussen et al., 2021 ; Smeuninx et al., 2017 ). 그러나 훨씬 더 모호한 것은 비만이 운동에 대한 동화 반응에 미치는 영향입니다. 골격근의 근원섬유 단백질 합성과 동화 신호 전달 경로를 측정한 결과, 비만인 사람들의 단일 저항 운동에 대한 동화 반응이 둔화되었다는 증거가 있습니다(Beals et al., 2018 ). 또 다른 연구에서는 단일 운동 후 비만한 골격근에서 미토콘드리아 생물 생성의 주요 조절자의 발현과 인산화가 약화되었음을 보여주었습니다(De Filippis et al., 2008 ). 반면, 다른 연구에서는 저항 운동에 대한 동화 작용이 비만인 젊고 활동적인 성인에서 손상되지 않는다고 제안합니다(Hulston et al., 2018 ). 이는 이 문제를 해결하는 데 도움이 되는 추가적으로 세심하게 통제된 연구가 필요하다는 것을 강조합니다. 비만인 개인의 염증 신호와 대사 건강을 연결하는 최근 데이터(Kunz et al., 2021 )와 비만이 있거나 없는 사람의 운동 반응 전사체, 프로테옴, 인산 프로테옴을 매핑하는 예비 작업(Vanderboom et al., 2022 )을 바탕으로 ), 우리는 광범위한 BMI 범위에 걸쳐 개인에서 급성 운동 반응을 더욱 특성화하고자 했습니다. 현재 연구는 단일 운동 후 근육 단백질 합성의 증가가 BMI가 증가함에 따라 감소한다는 것을 보여줍니다. 표적 대사체학과 전체 근육 전사체 분석을 결합한 결과, 세포 간 통신, 에너지 대사 및 단백질 회전에 관련된 경로가 비만이 있거나 없는 사람에서 단일 운동에 의해 고유하게 영향을 받는다는 것을 보여주었습니다. 이러한 데이터를 종합하면 급성 운동에 대한 동화 작용은 BMI가 증가함에 따라 약간 감소하고 순환계와 골격근 조직에서 뚜렷한 비만 관련 및 운동 반응 분자 패턴이 동반된다는 것을 보여줍니다.
2. 방법
2.1. 연구 참여자
BMI가 19~46kg/ m2 인 30~55세 성인 40명(여성 24명, 남성 16명)이 미네소타주 로체스터 지역 사회에서 연구에 참여하기 위해 모집되었습니다(표). 1). 한 참가자(비비만)는 연구를 완료하지 않고 급성 운동 테스트 세션 전에 중도 포기했으며 기준 데이터에만 포함되었습니다. 참가자는 체중이 안정적이었고(자체 보고, 지난 6개월 동안 체중은 ±2.5kg 유지) 구조화된 운동 훈련(자체 보고 활동 수준 <30분, 주 3회 운동)에 참여하지 않았습니다. 잠재적 참가자의 병력을 검토했으며, 빈혈, 진단된 당뇨병, 관상 동맥 또는 대혈관 질환, 신장 질환, 치료되지 않은 갑상선 질환, 혈액 응고 장애 또는 연구 절차에 참여하지 못하게 하거나 연구 위험을 증가시키는 질병이나 상태가 있는 참가자는 제외했습니다. 제외 기준에는 다음이 포함되었습니다. 스크리닝 당시 공복 혈장 포도당 >125 mg/dl, 임신 또는 모유 수유 중인 여성, 흡연, 하루 4온스 이상의 알코올 소비, 기타 약물 남용 장애 또는 연구 결과에 영향을 미치거나 연구 절차의 위험을 증가시킬 수 있는 약물 복용(예: 와파린 그룹 약물, 메트포르민, 삼환계 항우울제, 벤조디아제핀, 아편제, 바르비투르산염, 항응고제). 이 운동 연구는 Mayo Clinic Institutional Review Board(#16–000437)의 승인을 받았고 https://clinicaltrials.gov (# NCT02732509 )에 등록되었으며 헬싱키 선언에 따라 수행되었습니다. 모든 참가자는 서면 동의를 제공했습니다.
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2.2. 외래 환자 검사
동의와 선별 후, 참가자들은 이중 에너지 X선 흡수 측정법(DEXA, Lunar iDXA, GE Healthcare)을 통해 체성분을 측정했습니다. DEXA 후, 피험자들은 단발 리컴번트 에르고미터에서 전신 산소 소비 테스트(VO 2 피크)를 실시했습니다. 에르고미터에는 사이클링 중에 균형추 역할을 하는 오른쪽에 가중 페달이 장착되었습니다. 초기 작업 부하는 2분 동안 25와트로 설정되었고, 그 후 60초마다 10와트씩 단계적으로 작업 부하를 증가시켰습니다. 호흡별 간접 열량 측정법(Ultima CPX, Medical Graphics)을 사용하여 가스 교환 측정을 통해 VO 2 피크를 결정했습니다. 심박수와 심박수, 산소 포화도는 각각 12리드 심전도와 맥박 산소 측정법으로 측정했고, 혈압과 지각된 노력 등급(RPE, Borg Scale)은 테스트 내내 2분 간격으로 측정했습니다. 참가자가 강한 언어적 격려에도 불구하고 분당 최소 60회전의 케던스를 유지할 수 없을 때 테스트가 종료되었습니다. VO 2 피크는 15초 간격 동안 가장 높은 평균 VO 2 로 식별되었습니다.
2.3. 입원 연구
참가자들은 약 48시간 동안 Mayo Clinic Clinical Research and Trials Unit(CRTU)에 입원했습니다.입원 3일 전, 참가자들에게는 표준화된 거대 영양소 구성(단백질 20%, 탄수화물 50%, 지방 30%)으로 체중을 유지하기 위해 Metabolic Research Kitchen의 영양학 직원이 준비한 모든 식사가 제공되었습니다.참가자들은 매일 아침 체중 측정과 아침 식사를 위해 Metabolic Kitchen에 보고했습니다.점심과 저녁은 테이크아웃으로 준비된 식사로 제공되었습니다.표준화된 식사의 3일차 저녁에, 참가자들은 약 17:00시에 입원 CRTU에 보고했습니다.저녁 식사는 18:00시에 제공되었고, 참가자들은 다음날 근육 생검이 완료될 때까지 밤새 금식했습니다. 다음날 아침, 동위원소 표지된 13 C 6 - 페닐알라닌의 정맥 주입, 연속 근육 생검 및 근육 단백질로의 아미노산 동위원소 통합을 측정하기 위한 질량 분석을 통해 오른쪽 다리의 휴식 근육 단백질 합성 속도를 측정했습니다(Lalia et al., 2017 ). 오전 5시에 13 C 6 - 페닐알라닌을 프라이밍(1.5 mg·kg FFM -1 ), 연속 주입(1.5 mg·kg FFM -1 ·hr -1 )을 통해 정맥 주입한 다음, 변형된 Bergstrom 바늘을 사용하여 국소 마취(2% 리도카인) 하에 오전 8시와 11시에 오른쪽 vastus lateralis 의 경피적 생검을 실시했습니다. 근육 조직을 멸균 거즈로 빠르게 닦고, 침대 옆에서 무게를 측정한 다음, 액체 질소로 동결시키고, 보관을 위해 -80°C 냉동고로 옮겼습니다. 참가자들은 오후와 저녁 식사 동안 체중을 유지한 다음 밤새 금식을 했습니다. 다음날 아침 6시에 참가자들은 왼쪽 다리를 사용하여 급성 운동을 했습니다. 참가자들은 단발 VO2 피크의 70%에 해당하는 와트 부하로 30분간 단발 사이클링을 했습니다 . 필요한 경우 와트 부하는 낮추고 기록했습니다. 운동 중 와트 부하의 변화를 설명하기 위해 운동 부하(kJ)는 [전력(와트) × 분]으로 계산했습니다. 운동이 끝난 후 3.5시간과 6.5시간 후에 운동한 다리의 vastus lateralis 근육에서 근육 생체 검사를 실시하고 위에서 설명한 대로 처리했습니다. 대사체학을 위한 혈액 샘플은 1일차(기저) 07시에, 운동 후 30분과 90분에 채취했습니다. 2일간의 입원 연구 기간은 그림에 시각적으로 표시되어 있습니다. 1.
2.4. 근육 단백질 합성
근육 조직액과 근육 단백질 풀의 동위원소 농축은 이전에 설명한 바와 같이 HPLC 및 탠덤 질량 분석법(MS/MS)으로 측정했습니다(Lanza et al., 2012 , 2013 ; Robinson et al., 2014 ; Zabielski et al., 2013 ). 간단히 말해, 총 혼합 근육 단백질(MMP)과 조직액이 없는 아미노산 분획을 약 10mg의 근육 샘플에서 분리했습니다. 조직액은 5% 설포살리실산으로 분쇄된 약 20mg의 조직에서 추출했습니다. 나머지 단백질은 110°C에서 6N HCl에서 하룻밤 동안 가수분해했습니다. 가수분해된 단백질과 TF 샘플은 양이온 교환 컬럼(AG 50 W-X8 수지; Bio-Rad)을 사용하여 정제하고, 건조하고, 이소부틸 에스테르로 유도체화했습니다. 샘플은 HPLC 및 탠덤 질량 분석법(MS/MS)으로 분석했습니다. 데이터 수집은 양성 전기 분무 이온화 모드에서 수행되었으며, 페닐알라닌의 m + 2 및 m + 6 단편과 [ 13 C 6 ]페닐알라닌에 대해 각각 222.4 > 121.6 및 226.4 > 125.6에서 이온 모니터링을 선택했습니다. 몰 백분율 과잉은 6점 농축 표준 곡선에 대해 계산되었습니다. 혼합 근육 단백질의 분획 합성 속도(FSR)는 두 연속 근육 생검(E 2 −E 1 )에 걸친 [ 13 C 6 ]페닐알라닌 농축의 변화와 전구체 풀(E P ) 인 조직액 내 [ 13 C 6 ]페닐알라닌의 평균 IE에서 FSR = [(E 2 −E 1 )∙100]/[E p ∙time] 방정식을 사용하여 계산되었으며 %/h로 표현되었습니다. 근육 세포 내 조직액 농축은 그림 S2 에 나와 있습니다 . 이 계산은 운동 전 생검(기저)과 운동 후 생검에 대해 완료되었습니다. 변화율은 운동 후 FSR/기저 FSR로 계산되었습니다.
2.5. RNA 시퀀싱
운동 전(기준선)과 운동 후 3.5시간(운동 후)에 Qiagen RNeasy mRNA 추출 키트를 사용하여 분쇄된 근육 생검 샘플에서 RNA를 추출하고 이전에 설명한 대로(Kunz et al., 2019 ; Lalia et al., 2017 ) 시퀀싱을 위해 Mayo Clinic Genome Analysis Core로 보냈습니다. 간단히 말해, Illumina Stranded mRNA Prep을 사용하여 라이브러리를 준비하고 Illumina HiSeq 4000에서 시퀀싱했습니다. 판독 결과는 STAR RNA-seq 정렬기를 사용하여 정렬했습니다. 차등 발현 분석은 edgeR R 패키지의 음이항 일반화 로그 선형 모델을 사용하여 수행했습니다. 유전자 세트 풍부 분석은 Broads GSEA 소프트웨어를 사용하여 수행했습니다. FDR 교정 p 값(Benjamini-Hochberg 절차 사용)이 0.05 미만인 모든 유전자 세트를 보고했습니다.
2.6. 정량 RT-PCR
영어: 정량적 실시간 중합효소 연쇄 반응(qRT-PCR)은 이전에 설명된 절차(Lalia et al., 2017 )를 사용하여 RNA-Seq 데이터세트에서 식별된 관심 전사체에 대해 수행되었습니다. 총 RNA는 제조업체의 지침에 따라 RNEasy 섬유 조직 키트를 사용하여 분리했습니다. RNA 양과 순도는 분광 광도 분석(Nanodrop)으로 평가했으며, 260nm에서의 흡광도 대 230nm에서의 흡광도 비율(A260/230)과 260nm에서의 흡광도 대 280nm에서의 흡광도 비율(A260/280)이 모두 >1.8이었습니다. cDNA 합성은 제조업체의 프로토콜에 따라 SuperScript III First-Strand Synthesis System for RT-PCR cDNA Synthesis Kit(Invitrogen)을 사용하여 수행했습니다. 5 ng RNA의 cDNA 동등물은 SYBR green assays를 사용하여 QuantStudio 7 cycler(Applied Biosystems)에서 384-well microtiter plates에서 증폭하는 데 사용되었습니다. 개별 반응에 대한 사이클 임계값(CT) 값은 β2 microglobulin 발현(기저 발현)에 대해 정규화되었습니다. 모든 cDNA 샘플은 3회 증폭되었습니다. 운동 후 데이터는 2-∆∆CT 방법(Livak & Schmittgen, 2001 )을 사용하여 기저 값과 비교한 배수 변화로 표시됩니다. 유전자 특정 프라이머는 표에 나와 있습니다. 2.
2.7. 혈장 대사체학
아미노산과 그 대사산물은 이전에 설명한 대로 LCMS로 측정했습니다(Lanza et al., 2010 ). 간단히 말해, 20 μl의 혈장에 동위원소 표지된 아미노산으로 구성된 내부 표준 용액을 첨가했습니다. 상층액을 Waters' MassTrak 키트에 따라 6-아미노퀴놀릴-N-히드록시숙신이미딜 카바메이트로 즉시 유도체화했습니다. 10점 교정 표준 곡선은 내부 표준을 첨가한 후 유사한 유도체화 절차를 거쳤습니다. 유도체화된 표준과 샘플은 모두 Waters Acquity 액체 크로마토그래피 시스템과 결합된 Thermo Quantum Ultra 삼중 사중극자 질량 분석기에서 분석했습니다. 데이터 수집은 양성 전기 분무 조건을 통해 선택 이온 모니터(SRM)를 사용하여 수행했습니다. 각 미지 물질의 42개 분석 항목의 농도는 원근법 교정 곡선에 대해 계산되었습니다.
2.8. 통계 분석
데이터는 Shapiro-Wilks 정규성 검정을 사용하여 정규성을 평가했습니다. 이상치는 ROUT 방법으로 정의하고 False Discovery Rate(Q)를 >1%로 설정하여 분석에서 제외했습니다(Motulsky & Brown, 2006 ). 이변량 상관 분석을 수행하여 BMI, 운동 검사, 전신 염증, 운동 후 단백질 합성 및 기저 혈장 아민 간의 관계를 조사했습니다. 비페어 웰치 t 검정을 수행하여 BMI < 30 kg/m 2 (비만)인 개인과 BMI > 30 kg/m 2 (비만)인 개인 의 결과를 비교했습니다 . 이원 분산 분석(시간 및 그룹)을 수행하여 기저 및 운동 후 단백질 합성, 운동 후 혈장 아민 및 표적 전사체 데이터를 비교했습니다. 통계적 유의성은 사전에 p < 0.05로 설정했으며 GraphPad Prism(v9, GraphPad Software)을 사용하여 분석을 수행했습니다. 제시된 데이터는 평균 ± 표준 편차입니다.
3. 결과
3.1. 운동 테스트
등급별 운동 테스트 데이터(표 3)은 최대 산소 소비량(VO 2 피크)이 NO와 O 사이에서 유사했음( p = 0.971) 반면 전체 체중에 대한 VO 2 피크는 NO에 비해 O에서 32% 낮았고( p < 0.001) BMI와 음의적 연관이 있었습니다( r = −0.810; p < 0.001). 순수 체중에 대한 VO 2 피크는 NO에 비해 O에서 더 낮은 경향을 보였으며( p = 0.058) BMI와 음의적 연관이 있었습니다( r = −0.534; p < 0.001). NO와 O 사이에서 최대 파워, 최대 호흡 교환 비율(RER), 최대 심박수, 예측 최대 심박수의 연령 백분율에 차이가 관찰되지 않았습니다. 급성 운동 동안, 급성 운동 동안 완료한 총 작업량과 관련하여 NO와 O 사이에서 차이가 관찰되지 않았습니다( 각각 p = 0.160 및 0.118). 전체 작업( r = −0.356, p = 0.026)과 인지된 운동(RPE)의 최종 평가( r = −0.379, p = 0.017)는 BMI와 상관 관계가 있었습니다.
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3.2. 기준선 및 운동 후 근육 단백질 합성
기저 흡수 후 근육 단백질 분획 합성률(FSR)은 비만이 있는 사람과 비만이 없는 사람에서 유사했습니다( p = 0.164)(그림2가). 골격근의 운동에 대한 동화작용 반응은 휴식에서 운동 후 FSR의 변화 배수에서 결정되었습니다. 비만인 사람(0.955 ± 0.423)에서 비만이 없는 사람(1.276 ± 0.542)에 비해 FSR 변화 배수가 더 낮은 통계적 경향( p = 0.058)이 관찰되었습니다(그림 2b). 운동 후 근육 단백질 FSR의 유도는 BMI와 음의 연관성을 보였으며( p = 0.027, r = −0.375) 남성과 여성 간에 차이가 없었습니다(그림 2씨).
3.3. 운동에 대한 골격근 전사 반응
비만인 사람들의 동화작용 반응을 약화시킬 수 있는 분자 경로를 조사하기 위해 우리는 표적(qRT-PCR) 및 비표적(RNA 시퀀싱) 분석 접근 방식을 결합하여 두 그룹에서 고유하고 공통적인 전사 패턴을 조사했습니다. qRT-PCR을 사용하여 근육 단백질 회전율( mstn , myod , trim32 , foxo3 및 fbx032 )과 에너지 대사( pgc1a , pgc1b , tfam , pdk4 , hkII , irs , mapk , prkaa1 , slc 및 tbc )에 관련된 유전자를 특별히 표적으로 삼았습니다(그림 3). 이러한 유전자의 발현은 휴식 시와 급성 운동 후 두 시점(3.5시간, 6.5시간)에 수집한 골격근 샘플에서 측정되었습니다. 이러한 전사체 중 헥소키나제 II( hkII )의 기준 발현은 BMI와 양의 상관관계가 있는 반면, 미오스타틴( mstn )은 BMI와 음의 상관관계가 있었습니다(그림 S1 ). 비만이 있는 사람과 비만이 아닌 사람에서 뚜렷한 운동 반응이 관찰되었습니다. 주목할 점은 비만이 있는 사람에서 운동으로 유발된 mapk , tfam , fbxo32 발현이 약화된 반면, 비만 코호트에서 pdk4가 운동 후 6.5시간에 증가했습니다(그림 3).
표적 유전자 발현 측정 외에도, RNA 시퀀싱은 기준선과 운동 후 3.5시간에 수행되어 전체 근육 전사 패턴과 비만 여부에 관계없이 운동에 의해 고유하게 영향을 받을 수 있는 분자 경로를 조사했습니다. 비만이 아닌 개인에서 총 331개의 유전자가 운동에 대한 반응으로 다르게 발현되었고(36개는 하향 조절, 295개는 상향 조절), 비만인 개인에서 총 280개의 유전자가 운동에 대한 반응으로 다르게 발현되었습니다(45개는 하향 조절, 235개는 상향 조절)(그림 4a). 현재의 지식 기반(Pillon et al., 2020 ) 을 바탕으로 , 우리는 급성 유산소 운동에 반응하는 것으로 알려진 14개의 후보 유전자에 초점을 맞추었습니다. 이러한 후보 유전자 중 7개는 운동 후에 상당히 상향 조절되었지만( trim63 , nr4a3 , egr1 , ppargc1a , maff , cyr61 , il6r ) 휴식 시나 운동 후에 비만과 비만이 아닌 사람 간에 차이가 없었습니다(그림 4b). 운동에 반응하는 유전자 중 5개는 운동 후에 상당히 하향 조절되었습니다( txnip , arrdc2 , gadd45g , mstn , ca4 ). 주목할 점은, 비만이 아닌 사람은 비만에 비해 미오스타틴( mstn ) 발현이 낮았고, 비만이 아닌 사람은 운동 후에 adh1c 발현이 감소했지만 비만은 운동 후에 증가했습니다. 유전자 세트 풍부화 분석(GSEA)은 비만이 있는 사람과 비만이 아닌 사람의 급성 운동에 의해 뚜렷하게 영향을 받는 6개의 유전자 세트를 식별했습니다(그림 4c). 경로에는 MAPK 신호 전달, 케모카인 매개 신호 전달 경로, FC 수용체 매개 자극 신호 전달, 세포 증식의 긍정적 조절, 세포 사멸 과정의 부정적 조절, RNA 중합효소 II 프로모터의 전사의 긍정적 조절이 포함되었습니다.
3.4. 순환 아미노 대사 산물
우리는 비만이 전신 단백질 및 아미노산 대사와 관련된 급성 운동 반응 분자에 미치는 영향에 대한 추가적인 창을 제공하기 위해 혈장 아미노 대사체를 조사했습니다. 총 37개의 아미노 대사체를 휴식 시, 운동 30분 후, 운동 90분 후 혈장에서 표적 질량 분석법을 사용하여 정량적으로 측정했습니다. 각 피험자에 대해 기저 혈장 아민 대사체 프로파일링을 수행하여 평가했습니다. 각 피험자의 Z 점수를 계산하여 각 대사체의 BMI와 상관 관계를 확인했습니다. 휴식 시 17개의 아민 대사체가 BMI와 유의미하게 상관 관계를 보였습니다(표 S1 ). 운동 후 14개의 아민 대사체는 비만이 있는 사람과 없는 사람에서 뚜렷한 운동 반응 패턴을 보였습니다(표 S1 ). 총 9개의 중복 아민 대사체가 휴식 시 모두 비만의 영향을 받았습니다(그림 5a) 그리고 운동 후 (그림 5b). 이러한 대사산물에는 아미노산인 티로신, 알라닌, 류신, 이소류신, 프로린, 글루탐산과 아미노 대사산물인 알파-아미노아디프산(AAA), 베타-알라닌, 베타-아미노이소부티르산(BAIBA)이 포함됩니다.
4. 토론
신체 활동은 변화 가능한 라이프스타일 요인이며 비만의 부담을 줄이는 매력적인 전략입니다. 그럼에도 불구하고 운동과 함께 사용할 보조 요법을 최적화, 개별화 및 맞춤화하기 위해 운동 반응을 약화시킬 수 있는 요인을 이해하는 것이 중요합니다. 비만의 맥락에서 전신 염증과 대사 조절 장애는 운동 반응성을 방해하는 것으로 제안되었습니다(Greiwe et al., 2001 ; Lessard et al., 2013 ; Rieu et al., 2009 ; Stephens & Sparks, 2015 ). 비만이 운동 반응에 미치는 영향을 더욱 특성화하기 위해 비만이 있는 사람과 없는 사람의 단일 유산소 운동에 대한 골격근 및 전신 분자 반응을 평가했습니다. 이 연구의 주요 결과는 다음과 같습니다. (1) 비만인 사람의 급성 운동에 대한 동화작용 반응이 감소합니다. (2) 대사 조절, 세포 간 통신, 단백질 대사를 포함하여 비만인 사람의 운동 후 몇 가지 중요한 운동 반응 유전자와 경로가 약화됩니다. (3) 비만인 사람은 휴식 시와 급성 운동 후 독특한 순환 아미노 대사체 프로필을 보입니다.
4.1. 비만은 급성 운동에 대한 동화 반응에 영향을 미칩니다.
근육량은 적절한 신체 기능과 좋은 대사 건강에 필수적이며 사망의 상대적 위험의 결정 요인입니다(Wolfe, 2006 ). 근육 비대와 단백질 동화작용은 일반적으로 저항 운동과 관련이 있지만, 유산소 운동은 또한 시간이 지남에 따라 대사 및 구조적 적응을 지원하기 위해 골격근에서 동화 반응 경로를 활성화합니다(Harber et al., 2010 ; Miller et al., 2005 ; Wilkinson et al., 2008 ). 현재 연구에서 비만이 아닌 개인이 급성 유산소 운동 후 비만인 사람(~0.9배)보다 근육 단백질 합성을 더 크게(~1.3배) 증가시켰다는 것을 보여줍니다. 운동에 대한 동화 반응에서 이러한 그룹 차이는 통계적 유의성에 도달하지 못했지만( p = 0.058), 성별에 관계없이 BMI와 운동 후 근육 단백질 합성의 배수 유도 사이에 유의한 부정적 연관성이 있었습니다. 영어 : 현재 연구에서 단발 자전거 타기로 관찰된 근육 단백질 합성의 폴드 유도 규모는 젊고 활동적인 남성을 대상으로 60분간 자전거 운동을 한 후 이전에 발표된 근육 단백질 합성과 일치합니다(Harber et al., 2010 ). 반면 Serrano et al.은 45분간 자전거를 탄 후 비만이 있거나 없는 성인에서 근육 단백질 합성에 변화가 없다고 보고했습니다(Serrano et al., 2021 ). 연구 간 동화 반응의 규모를 비교할 때 고려해야 할 핵심 요소로는 근육 샘플링의 시간 경과, 피험자 특성, 운동 강도/기간 등이 있습니다. 현재 연구에서 운동 후 동화 반응이 운동 워크로드와 관련이 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다( p = 0.977, r = 0.006). 즉, BMI가 증가함에 따라 감소한 운동 반응은 운동 성능의 차이로 설명할 수 없음을 시사합니다. 지금까지 비만이 골격근의 동화 반응에 미치는 영향은 대부분 영양 자극의 관점에서 연구되었지만(Beals et al., 2016 , 2019 ; Guillet et al., 2009 ; Paulussen et al., 2021 ), 비만이 운동에 대한 동화 반응에 미치는 영향은 덜 명확합니다. Beals와 동료들이 수행한 이전 연구에서는 비만인 사람들의 저항 운동과 섭식에 대한 반응으로 근육 단백질 합성과 동화 신호 전달 경로가 둔화된다는 것을 보여주었습니다(Beals et al., 2018). 현재 연구에서는 흡수 후 조건에서 운동 후 근육 단백질 합성을 측정했지만, 그 결과는 운동 후 섭식 반응을 포함한 Beals 등의 이전 연구와 일치하며, 비만인 사람의 급성 운동에 대한 동화작용 반응이 약화된다는 개념과 일치합니다. 비만으로 인한 동화작용 저항에 기여하는 메커니즘은 계속해서 조사되고 있지만, 순환계 또는 근육 조직에서 염증 분자 수치가 높아진 결과일 수 있는 p70S6K를 통한 신호 전달 변화에 대한 좋은 증거가 있습니다(Beals 등, 2018 ). 이 가설의 근거는 근육 동화작용 반응이 혈장 TNFa 수치와 음의 상관관계가 있다는 우리의 관찰에 근거합니다( p = 0.004, r = −0.467). 이 관찰은 노화에서 이전에 보고된 바 있습니다(Toth 등, 2005 ).
4.2. 비만이 있는 성인과 비만이 없는 성인에서 운동으로 유발되는 전사체 반응은 다릅니다.
비만 성인의 운동 반응을 추가로 조사하기 위해 운동 후 vastus lateralis의 mRNA 발현에 대한 비대상(RNA 시퀀싱) 및 대상(qRT-PCR) 분석을 모두 수행했습니다.전체 근육 전사체 분석 결과 운동에 대한 반응으로 차별적으로 발현된 전사본의 대부분은 비만이 있는 사람과 비만이 아닌 사람에서 공통적(전사본 213개)이었지만, 비만이 아닌 사람의 경우 운동의 영향을 특별히 받는 전사본이 118개, 비만인 사람의 경우 운동의 영향을 특별히 받는 전사본이 67개였습니다.첫 번째 단계로, 최근 인간의 급성 유산소 운동 연구에서 발표된 12개의 데이터 세트에서 큐레이팅된 상위 5개의 상향 및 하향 조절 유전자를 포함하여 소수의 정식 운동 반응 전사본을 조사했습니다(Pillon et al., 2020 ).이 큐레이팅된 유전자 세트는 발표된 문헌을 기반으로 예상되는 발현 증가 또는 감소를 보여주었습니다.이 관찰 결과는 현재의 단발 운동 프로토콜이 골격근에서 알려진 유전자 발현 변화를 재현하기에 충분히 강력하다는 것을 강화해줍니다. 이러한 유전자 중 미오스타틴( mstn )과 탄산탈수효소 IV( ca4 )는 비만이 있는 사람과 없는 사람에서 다르게 발현되었지만, 알코올 탈수소효소 1c( adh1c )만이 유의미한 상호 작용을 보였습니다. 즉, 비만이 없는 사람의 운동에 대한 반응으로 발현이 감소했지만 비만이 있는 사람의 경우 발현이 증가했습니다. 이 유전자가 비만이 있는 사람과 없는 사람의 운동에 대한 뚜렷한 급성 분자 반응에 어떻게 관여하는지 현재로서는 불분명합니다. 저희는 qRT-PCR을 사용하여 운동에 대한 근육 단백질 대사를 조절하는 것으로 알려진 여러 전사본을 특별히 표적으로 삼았습니다. 이 중 F-Box 단백질 32( fbxo32 )만이 비만이 있는 사람의 운동 후 발현이 약화되었습니다. Atrogin-1로도 알려진 이 유전자는 근육 단백질 분해와 위축에 관여하는 유비퀴틴 단백질 리가제의 하위 단위인 단백질을 인코딩합니다(Bodine et al., 2001 ). 상류 전사 인자인 foxo3는 운동 반응에서 비만 관련 변화를 보이지 않았고, 유비퀴틴 리가제 trim32 도 마찬가지였다 . 운동 후 fbxo32 발현의 뚜렷한 패턴이 비만이 있거나 없는 사람들의 운동에 대한 근육 동화 반응에서 관찰된 차이와 관련이 있는지 여부는 아직 결정되지 않았다.
피루브산 탈수소효소 키나제 4( pdk4 )는 비만이 있는 사람과 비만이 없는 사람에서 뚜렷한 발현 패턴을 보이는 운동 반응 전사체로 주목할 만했습니다.PDK4는 피루브산 탈수소효소를 비활성화하여 근육 기질 활용에 영향을 미쳐 탄수화물 산화에서 지방 산화로 전환됩니다.PDK4는 이전에 운동 후 급성적으로 증가하는 것으로 나타났지만(Pilegaard et al., 2005 ), 비만인 사람이 운동 후 pdk4 유전자 발현이 높아지지만 지연되는 증가를 보이는 관찰된 패턴은 비만인 사람의 운동 후 후기 기질 대사가 지질 대사로 전환되었음을 시사합니다.이는 비만군이 근육 내에서 포도당 처리가 좋지 않았거나 비만이 아닌 군에 비해 회복 시 순환 지방산이 증가했음을 시사하며, 전반적으로 운동 후 대사 회복이 좋지 않음을 시사합니다. 다른 연구들은 인슐린 저항성 대상자의 운동 후에도 글리코겐 합성 조절이 유지된다고 보고했지만(Jensen et al., 2012 ), 이러한 데이터와 비만 성인의 운동 후 글리코겐 저장 조절 이상에 관한 우리의 기존 연구(Vanderboom et al., 2022 )는 추가 연구가 필요하다는 것을 시사합니다.
운동 후 골격근에서 미토겐 활성화 단백질 키나아제( MAPK )가 유도되었지만 비만인 사람에게서는 그 정도가 약했다. 나아가 유전자 세트 풍부 분석에서 MAPK 신호 전달은 운동에 의해 강한 영향을 받지만 비만인 사람에게서는 약화되는 경로로 확인되었다. MAPK 경로는 운동으로 유도되는 대사 적응의 핵심 구성 요소(Raney & Turcotte, 2006 ; Widegren et al., 1998 ; Yu et al., 2003 )이며 인간의 유산소 운동에서 상향 조절되는 것으로 나타났다(Boppart et al., 2000 ; Widegren et al., 1998 ; Yu et al., 2001 ). 이 경로는 산화적, 에너지적 및/또는 기계적 스트레스에 대한 반응으로 운동에 의해 활성화되는 것으로 보이므로(Kramer & Goodyear, 2007 ), 비만이 있는 성인과 비만이 아닌 성인 간에 운동 중 근육 내에 다른 산화적 및/또는 대사적 스트레스가 있는 것으로 보이며 향후 조사의 주요 대상입니다.케모카인 매개 신호 전달은 미오카인 분비가 다른 조직과의 대사적 교차 통신과 관련이 있기 때문에(Laurens et al., 2020 ) 또 다른 관련 경로이며 건강과 대사 질환에 큰 영향을 미칩니다(So et al., 2014 ). 이 두 경로는 대사 적응과 관련이 있을 가능성이 높은 반면, 다른 경로는 면역 반응 및 단백질 회전율과 관련이 있으며 비만이 있는 성인의 기저 전신 염증과 관련이 있을 수 있습니다.
우리는 이전에 비만 성인에서 운동 후 GSK3β 신호 전달이 조절되지 않는 것을 보고했는데, 이는 기저 근육 글리코겐 함량이 낮음을 시사할 수 있습니다(Kunz et al., 2021 ; Standl et al., 1980 ; Vanderboom et al., 2022 ). 또한 Goodpaster et al.은 운동하는 동안 비만 남성이 비만이 없는 남성에 비해 근육 글리코겐 산화율이 낮고 비혈장 공급원에서 지방산 산화가 더 높다고 보고했습니다(Goodpaster et al., 2002 ). 본 연구에서 글리코겐 수치는 측정하지 않았지만 운동 전, 운동 중 및/또는 운동 후의 대사 조절 이상이 비만인의 다양한 운동 반응에 영향을 미칠 가능성을 무시하기 어렵습니다. 이러한 대사 조절 이상 및/또는 기저 염증 프로필이 비만 성인에서 나타나는 둔화된 운동 반응에 영향을 미칠 가능성이 높으며 보다 기전적인 조사가 필요합니다.
4.3. 순환 아민 대사체학은 다양한 기저 및 운동 후 기질 가용성을 보여줍니다.
우리는 운동 반응의 전신 대사체 마커를 평가하기 위해 운동 전과 운동 후 30분, 90분에 순환 혈장 아미노 대사체를 측정했습니다.우리는 휴식 시 BMI와 유의하게 관련된 17개의 순환 아민과 비만에 따라 운동의 영향을 받는 14개를 발견했습니다.비만과 운동의 영향을 받는 주요 대사체는 티로신, 알라닌, 류신, 이소류신, 프로린, 글루탐산, 알파-아미노아디프산(AAA), 베타-알라닌, 베타-아미노이소부티르산(BAIBA)이었습니다.이전 연구에 따르면 비만이 없는 성인은 유산소 운동 후 3시간에 순환 총 및 필수 아미노산이 낮았지만 비만이 있는 성인은 기준선에서 변화가 없었습니다(Serrano et al., 2021 ).필수 아미노산 중 비만이 있는 성인은 비만이 없는 사람에 비해 운동 후 이소류신과 류신 감소가 둔화되었다고 보고합니다. 류신은 단백질 합성에서의 역할과 인슐린 신호전달의 핵심 경로인 인슐린 포스포이노시티드 3-키나제 신호 계단의 조절자로 유명합니다(Norton & Layman, 2006 ). 이전 보고서에 따르면 순환 류신은 운동 후 30분에 약 13% 감소했습니다(Makhro et al., 2016 ). 이는 현재 연구에서 비만이 없는 성인에서 관찰된 것과 일치합니다. 순환 알라닌과 글루타민산은 해당분해 플럭스의 지표이며(Henriksson, 1991 ) 운동 후 혈장에서 증가하는 것으로 알려져 있습니다(Bergstrom et al., 1985 ; Einspahr & Tharp, 1989 ; Makhro et al., 2016 ). 운동 후 알라닌 수치는 비만이 없는 사람에 비해 비만이 있는 사람의 경우 그렇게 많이 상승하지 않았는데, 이는 비만 그룹에서 운동 후 포도당 대사가 조절되지 않기 때문일 수 있습니다. 이 가설을 뒷받침하기 위해 Blomstrand & Saltin은 글리코겐 함량이 낮은 근육을 운동할 때보다 정상 글리코겐 함량이 있는 근육을 운동할 때 알라닌이 더 많이 방출된다고 보고했습니다(Blomstrand & Saltin, 1999 ). 주목할 점은 티로신과 함께 근육 단백질 분해의 일반적인 마커인 페닐알라닌이나 3-메틸히스티딘에서 운동 후에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다는 것입니다(Henriksson, 1991 ).
단백질 회전율 및 대사와 관련된 아민 외에도 여러 다른 아민이 BMI와 유의하게 연관되어 있었고 운동에 대한 반응으로 변화했습니다. 중요한 점은 이러한 대사 산물 중 일부가 질병의 예후 지표인 것으로 나타났다는 것입니다. 티로신, 류신 및 시스테인은 BMI와 강력한 연관성을 갖는 세 가지 아민( 각각 r = 0.688, r = 0.425 및 r = 0.433)이며 이전에 대사 증후군의 초기 바이오마커로 제안되었습니다(Lynch & Adams, 2014 ; Mohorko et al., 2015 ). BAIBA는 티민 및 발린 대사의 분해 산물로서 심장대사 위험과 역상관 관계가 있는 것으로 나타났으며 운동과 PGC-1alpha 과발현에 대한 반응으로 근육에서 방출되어 지방 갈색화를 유도하고 포도당 대사를 개선합니다(Roberts et al., 2014 ). 다른 사람들은 순환 BAIBA 수치가 운동 훈련을 하는 사람(Roberts et al., 2014 )과 단일 운동 후 급성적으로 증가한다고 보고합니다(Stautemas et al., 2019 ). 선례 문헌과 일치하게, 우리는 혈장 BAIBA 수치가 BMI가 증가함에 따라 감소하지만, 혈장 BAIBA 수치는 운동 후 30분과 90분에 급성적으로 낮아지는 것을 발견했습니다. 우리는 운동 중이나 직후에 BAIBA를 측정하지 않았는데, 이 대사산물은 30분 이내에 기준치로 빠르게 돌아가는 것으로 보이기 때문에 중요합니다(Stautemas et al., 2019 ). 알파-아미노아디프산(AAA)은 당뇨병 위험을 예측하는 또 다른 흥미로운 리신 대사산물입니다(Wang et al., 2013 ). 또한 AAA는 BMI와 양의 상관관계가 있으며 비만이 아닌 사람의 운동 후 급성적으로 감소하지만 비만인 사람의 경우에는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다. AAA와 대사 질환 사이의 연관성과 AAA가 비만에 따라 급성 운동에 반응한다는 새로운 관찰 결과를 종합해 보면 이 대사 경로가 비만에 따라 특히 조절되지 않는 것으로 보이며, 이 경로의 생물학적 관련성과 비만 환자의 경우 이 경로를 표적으로 삼는 것이 가치 있는지 더 잘 이해하기 위해 후속 조사가 필요할 수 있습니다.
4.4. 제한 사항 및 향후 방향
비만인 사람들의 두드러진 운동 반응 매개변수를 특성화하려는 우리의 탐구에서, 우리는 이 연구의 몇 가지 한계를 인정하고 미래 연구 분야를 제안합니다.첫째, 우리는 이전의 시간 경과 연구(Fry et al., 2011 ; MacDougall et al., 1995 )에 근거하여 최대 동화 반응을 포착하고자 운동 후 3.5~6.5시간 사이에 단백질 합성을 측정했습니다.이 연구에서 운동에 대한 최대 동화 반응이 이 범위를 벗어났을 가능성이 있으며, 이 경우 최대 근육 단백질 합성이 발생한 시간을 보다 확실하게 식별하기 위해 추가 생검 시점이 필요할 것입니다.또 다른 중요한 고려 사항은 운동에 대한 동화 반응이 혼합 근육 단백질 합성 측정에서 결정되었다는 것입니다.이는 운동에 다르게 반응할 수 있는 많은 수의 개별 단백질을 반영합니다.따라서 우리는 세포 내 단백질 풀 또는 개별 단백질의 합성 속도에 대한 추가 측정이 근육 단백질 합성에 대한 비만의 근본적인 영향에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것이라고 인정합니다. 마지막으로, 우리는 일련의 근육 생검 후 운동과 관련된 합병증을 최소화하기 위해 단발 운동 프로토콜을 사용했습니다. 기존의 양측 사이클링이 더 실용적으로 관련성이 있지만, 우리는 그룹 간의 근육 특정 결과에 영향을 미칠 것으로 기대하지 않습니다. 그러나 기존의 양측 사이클링이 혈장 대사체 시그니처에 더 현저한 영향을 미칠 가능성이 있으며, 비만이 있는 사람과 없는 사람 간의 운동 반응에 추가적인 차이점을 드러낼 수 있습니다.
5. 결론
결론적으로, 이 데이터는 비만인 사람들이 근육 단백질 분해, 기질 대사 및 연료 선택, 산화/대사 스트레스 반응 경로를 포함한 운동 반응 유전자 전사본의 눈에 띄는 변화와 함께 운동으로 유도된 근육 단백질 합성이 적당히 약화되었음을 보여줍니다. 인간의 운동 반응성의 이질성과 "운동 저항" 집단의 존재는 운동 처방을 개별화하거나 비만인 사람들의 분자 운동 반응 경로를 약화시키는 경로를 표적으로 삼아 운동 반응을 향상시키는 보조 전략을 개발하는 새로운 방법을 필요로 합니다.
