Физические упражнения укрепляют здоровье, снижая у большинства людей риск развития диабета и ожирения. Но как именно на клеточном уровне физические упражнения совершают это благотворное волшебство — какие физиологические этапы задействованы и в каком порядке — остается загадкой до удивительной степени.
Однако несколько поразительных новых исследований вносят некоторую ясность, показывая, что физические упражнения, по-видимому, способны кардинально изменять работу генов.
Гены, конечно, не статичны. Они включаются или выключаются в зависимости от того, какие биохимические сигналы они получают из других частей тела. При включении гены экспрессируют различные белки, которые, в свою очередь, запускают ряд физиологических действий в организме.
Одним из мощных средств воздействия на активность генов является процесс, называемый метилированием, при котором метильные группы, скопление атомов углерода и водорода, прикрепляются к внешней стороне гена и облегчают или затрудняют получение этим геном сообщений от организма и реагирование на них. Таким образом, изменяется поведение гена, но не фундаментальная структура самого гена. Примечательно, что эти паттерны метилирования могут передаваться потомству – явление, известное как эпигенетика.
Что особенно интересно в процессе метилирования, так это то, что, похоже, он во многом определяется тем, как вы живете. Многие недавние исследования показали, что диета, например, заметно влияет на метилирование генов, и ученые, работающие в этой области, подозревают, что различные схемы генетического метилирования, возникающие в результате различных диет, могут частично определять, развивается ли у кого-либо диабет и другие метаболические заболевания.
Но роль физической активности в метилировании генов изучена недостаточно, хотя физические упражнения, как и диета, сильно меняют организм. Итак, несколько групп ученых недавно задались целью определить, как физические нагрузки влияют на внешний вид наших генов.
Ответа, как показывают их недавно опубликованные результаты, предостаточно.
Одно из новых исследований, пожалуй, самое захватывающее, проведенное в основном исследователями, связанными с Центром диабета Лундского университета в Швеции, и опубликованное в прошлом месяце в PLoS One, началось с привлечения нескольких десятков взрослых шведских мужчин, ведущих малоподвижный образ жизни, но в целом здоровых, и удаления части их жировых клеток. Используя недавно разработанные молекулярные методы, исследователи нанесли на карту существующие паттерны метилирования ДНК в этих клетках. Они также измерили состав тела мужчин, аэробную способность, окружность талии, кровяное давление, уровень холестерина и аналогичные показатели здоровья и физической подготовки.
Затем они попросили мужчин начать заниматься спортом. Под руководством тренера добровольцы начали посещать часовые занятия спиннингом или аэробикой примерно два раза в неделю в течение шести месяцев. К концу этого периода мужчины сбросили жир и несколько дюймов в области талии, повысили выносливость и улучшили показатели кровяного давления и холестерина.
Менее очевидно, но, возможно, даже более последовательно, они также изменили характер метилирования многих генов в своих жировых клетках. Фактически, более 17 900 отдельных участков 7663 отдельных генов в жировых клетках теперь демонстрируют измененные паттерны метилирования. В большинстве случаев гены стали более метилированными, но у некоторых было присоединено меньше метильных групп. Обе ситуации влияют на то, как эти гены экспрессируют белки.
Гены, демонстрирующие наибольшие изменения в метилировании, также, как правило, были теми, которые ранее были идентифицированы как играющие определенную роль в накоплении жира и риске развития диабета или ожирения.
“Наши данные свидетельствуют о том, что физические упражнения могут влиять на риск развития диабета 2 типа и ожирения, изменяя метилирование ДНК этих генов”, — говорит Шарлотта Линг, адъюнкт-профессор Лундского университета и старший автор исследования.
Между тем, другие исследования показали, что физические упражнения оказывают столь же глубокое влияние на метилирование ДНК в мышечных клетках человека даже после одной тренировки.
Чтобы прийти к такому выводу, ученые из Каролинского института в Стокгольме и других учреждений взяли биопсии мышц у группы мужчин и женщин, ведущих сидячий образ жизни, и составили карту метилирования их мышечных клеток. Затем добровольцев заставили кататься на велотренажерах, пока они не сожгли около 400 калорий. Одни катались интенсивно, другим было легче.
Позже вторая биопсия мышц показала, что паттерны метилирования ДНК в мышечных клетках изменились уже после этой единственной тренировки: некоторые гены получили метильные группы, а некоторые потеряли их. Известно, что некоторые из наиболее измененных генов, как показано в исследовании жировых клеток, продуцируют белки, влияющие на обмен веществ в организме, включая риск развития диабета и ожирения.
Интересно, что изменения в метилировании мышечных клеток были гораздо более выраженными у добровольцев, которые ехали энергично, чем у тех, кто крутил педали более осторожно, даже при том, что общий расход энергии у них был одинаковым.
Общий вывод исследования, говорит Джули Зират, профессор интегративной физиологии Каролинского института и старший автор исследования, заключается в том, что изменения в метилировании ДНК, вероятно, являются “одной из самых ранних адаптаций к физическим нагрузкам” и приводят к последующим изменениям в организме.
Конечно, тонкости этого поразительно сложного процесса еще предстоит полностью разгадать. Ученые не знают, например, сохраняются ли изменения метилирования, вызванные физическими упражнениями, если человек ведет малоподвижный образ жизни, или силовые тренировки оказывают аналогичное влияние на поведение генов. Также неизвестно, могут ли эти изменения передаваться от одного поколения к другому. Но уже сейчас ясно, говорит доктор Линг, что эти новые результаты “являются дополнительным доказательством сильного воздействия физических упражнений на организм человека, даже на уровне нашей ДНК”.