运动,如何影响基因 ?

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长期保有运动习惯不仅能促进健康与肌肉功能,而且可预防或缓和多种疾病,如肥胖、第二型糖尿病、以及心血管疾病等 [注 1]。过去认为运动就是透过不断的操练肌肉和活络神经而达到促进健康的效果,但背后的生理机制至今仍未完全解明。而近年来则发现,运动训练对体内各种细胞的基因表现会有所影响 [注 2、3],对于健康和老化相关研究别具意义。

运动会影响肌肉基因的表观遗传表现

基因就像硬件,除非发生突变,否则从出生到死亡基本上不会有太大的改变。但基因表现在一生的各个阶段会出现许多剧烈变化,而基因表现的调控机制就像软件,会根据不同状况促进或抑制基因活性。表观遗传学即为基因调控机制的一种,主要借由DNA的甲基化 (DNA methylation) 与组蛋白 (histone) 的乙酰化 (acetylation)、去乙酰化 (deacetylation)、及甲基化 (methylation) 等来影响带有基因序列的DNA之松紧和暴露程度,进而决定上面的基因能否顺利表现。在 2014 年,Lindholm 等人让 23 名年轻的健康男性与女性进行为期三个月、每周四次、每次 45 分钟的单腿脚踏车训练 (另外未受训练的腿则作为对照组),并在开始前与结束后取双腿肌肉样本,分析基因体上四十八万处的甲基化状态,以及超过两万个基因之表现情形。这项重大实验结果显示,DNA 甲基化会改变将近 5,000 个基因的活性,其中与骨骼肌适应、血管新生,和碳水化合物代谢相关之基因均有表现加强的现象 [注 4]。此外,这项研究也发现主要发生甲基化改变的 DNA 区域并非位于传统推测之启动子 (promotor) 中,而是在距离较远的增强子 (enhancer) 上。这一连串结果显示肌肉细胞的表观基因表现确实会随肌力训练改变,进而影响到整体的生理表现和肌肉 / 运动效率。

运动会影响 RNA 的选择性剪接

另一种基因表现调控机制为选择性剪接 (alternative splicing)。此机制发生于 DNA 转录后,前驱讯息RNA (precursor mRNA) 转变为成熟 mRNA 的过程。透过此步骤,同一种前驱 RNA 可经由不同的剪接方式形成各种 mRNA 异构物 (isoform),进而产生相似却又独特的蛋白质。在过去的研究成果中,已发现运动训练可改变某些基因的选择性剪接而影响其产物;例如与制造粒线体 (产生细胞所需能量的胞器,别称为细胞发电厂) 有关的 PGC1α 基因 [注 5]、可促进血管生成的 VEGFA 基因 [注 6]、以及与生长密切相关的 IGF1 基因 [注 7] 等,表现和产物均被报导会受到运动所影响。不过上述研究皆只看少数几个基因,而为了从宏观的基因体学角度分析,Lindholm 等人更进一步定序参加前述研究的 23 名受试者之腿部肌肉细胞 RNA,并将结果与肌力表现及肌肉活性酵素等因子作比较。

研究人员发现运动会造成 3,404 个基因产生不同的异构物,其中大部分与 ATP (细胞中的能量单位,可视为能量包) 制造有关;另外也发现了 34 个新种 mRNA [注 8]。这显示运动训练的确可以改变基因原先之表现方式,这或许和维持身体健康有密切的关系。不过研究人员也发现“一天捕鱼,三天晒网”的运动方式没什么意义,因为受试者在休息九个月后,其基因表现多已回归训练前的状态,有训练和未训练的腿肌间看不出显著差异。此时,为探讨“肌肉记忆”的现象,也就是先前经过训练之肌肉在下次训练是否能够更快恢复原来的状态,研究团队选择其中 12 人再次进行相同的运动流程;可惜,后来未能找到支持肌肉记忆假说的确切证据 [注 8]。

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运动乃健康的原动力

由上述研究成果可知,运动和身体细胞的基因表现密不可分。但究竟要做到什么程度才会有效果呢?如果您脑中还是过去的“运动 333”,也就是一周 3 次、每次 30 分钟、心跳达每分钟 130 次以上的话,请先把它忘掉;现在世界上采行的方式,是根据美国卫生及公共服务部于 2008 年所提出之美国体力活动准则 (2008 Physical Activity Guidelines for Americans),建议成人每周需要 150 分钟的中强度有氧活动 (如快走) 或 75 分钟的高强度有氧活动 (如跑步),加上至少两次大肌群的肌力训练 [注 9],才能达到对健康的助益。而所谓“户枢不蠹,流水不腐”,研究显示运动结果其实无法保持太久,故与其待衰退、生病后再接受治疗,现在就展开规律运动保持身体健康,才是建构灿烂的人生的正确之道,不是吗?当然,企图诱导和复制运动后的各种基因表现之相关研究也在进行中,或许未来能取代运动的健康效益,但绝无法取代身体律动和汗水淋漓的舒畅感吧!

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参考文献:
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.