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科学家发现运动可使基因向健康方向发生改变

来源:未知 编辑:admin 发布时间:2017-08-14

美国《时代》杂志报道,运动能够带给我们很多益处,帮助我们燃烧热量,减轻体重同时降低心脏病、中风和糖尿病风险。除此之外,运动还有一个令人不可思议的作用——改变我们的DNA。根据瑞典卡罗林斯卡医学院生理学教授朱丽恩·兹尔罗斯进行的新研究,运动能够让基因活动发生有益于健康的变化,即使一次20分钟的运动也能产生这种效用。

新研究证实运动导致DNA变化

致癌物质和毒素能够导致身体出现异常和基因变异,相比之下,运动导致的DNA变化则有益健康,能够提高肌肉的工作效率。令人感到吃惊的是,即使一次20分钟的运动也能带来积极变化。在发表于《细胞—代谢》杂志上的论文中,兹尔罗斯和同事讲述了肌肉细胞在人体进行运动时出现的早期变化。

共有14名不经常锻炼身体的年轻男性和女性参加了此项新研究。研究过程中,兹尔罗斯要求他们骑健身脚踏车,测量他们的极限水平。在征得他们同意情况下,研究人员提取了参与者的四头肌样本,整个过程在局麻情况下进行,不会给参与者造成痛苦。在参与者进行运动前,研究人员首次提取肌肉细胞,运动20分钟后再次提取,以进行比较分析。

借助于这些活组织样本,研究人员对运动前后一系列与肌肉有关的基因活动进行了比较。进行运动后,肌肉细胞内的更多基因被激活,参与者的DNA甲基化程度也较低。甲基化是一个分子过程,甲基团聚集在DNA上,限制了细胞“开启”确定基因的能力。通过在特定时间控制确定细胞的甲基化程度便可调节DNA中的基因,允许哪些基因被激活。激活特定的基因能够形成特定的细胞,例如眼细胞或者肝细胞。

以在人行道上进行1英里(约合1.6公里)慢跑为例,甲基化作用能够促使肌肉细胞释放出正确的酶和营养物,让肌肉获得能量,燃烧卡路里。兹尔罗斯表示:“我们正试图了解肌肉接收到的早期信息。这些信息似乎在说‘我这里出现状况,我们需要相互配合,获得更多的酶和营养物质,这样才能满足运动的需要’。”

兹尔罗斯指出,运动强度越大,被移走的甲基团数量越多。研究中,他们让参与者在一周内进行两种强度不同的骑车锻炼。通过比较参与者的基因活动,他们得出这一发现。两次锻炼的强度分别达到参与者极限的40%和80%,运动后提取肌肉活组织样本进行比较分析。分析结果显示,在达到极限水平80%的锻炼后提取的肌肉细胞内甲基团浓度更低,RNA(基因活动的第一个副产品)数量更多。

摄入咖啡因与运动后效果相似

为了确定运动在肌肉基因表达中扮演的角色,科学家对钙如何影响整个系统进行了研究。人体进行高强度运动时,肌肉细胞释放出钙,加速肌肉收缩。如果遏制钙的释放,这种效用消失,肌肉无法大幅收缩。随后,兹尔罗斯往培养皿中加入咖啡,确切地说是咖啡因。咖啡因能够触发钙的释放,促使甲基团移开,开启帮助肌肉收缩的基因。正如她预料的那样,在将咖啡因注入盛有大鼠腿部肌肉细胞的培养皿后,肌肉细胞的甲基团浓度降低,同时出现更多RNA,与运动后产生的效果类似。

兹尔罗斯表示这并不意味着人们可以用咖啡代替运动。她说:“我们认为咖啡因产生的绝大多数生理效应作用于中枢神经系统,而不是分散到所有肌肉。为了获得我们在肌肉中看到的效果,你需要一天喝掉50杯咖啡,而这已经接近于致命剂量。在我看来,半小时高强度运动足以达到相同效果。”

Acute Exercise Remodels Promoter Methylation in Human Skeletal Muscle

Romain Barrès, Jie Yan, Brendan Egan, Jonas Thue Treebak, Morten Rasmussen, Tomas Fritz, Kenneth Caidahl, Anna Krook, Donal J. O'Gorman, Juleen R. Zierath

DNA methylation is a covalent biochemical modification controlling chromatin structure and gene expression. Exercise elicits gene expression changes that trigger structural and metabolic adaptations in skeletal muscle. We determined whether DNA methylation plays a role in exercise-induced gene expression. Whole genome methylation was decreased in skeletal muscle biopsies obtained from healthy sedentary men and women after acute exercise. Exercise induced a dose-dependent expression of PGC-1α, PDK4, and PPAR-δ, together with a marked hypomethylation on each respective promoter. Similarly, promoter methylation of PGC-1α, PDK4, and PPAR-δ was markedly decreased in mouse soleus muscles 45 min after ex vivo contraction. In L6 myotubes, caffeine exposure induced gene hypomethylation in parallel with an increase in the respective mRNA content. Collectively, our results provide evidence that acute gene activation is associated with a dynamic change in DNA methylation in skeletal muscle and suggest that DNA hypomethylation is an early event in contraction-induced gene activation.

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