人类血浆蛋白组研究揭示久坐与锻炼人群的心肺适应生物标志物差异

背景介绍
运动能力专业术语

在开始文献解读之前，我们先了解几个有关运动能力的专业术语。

心肺适应（Cardiorespiratory fitness, CRF）：指循环系统和呼吸系统向骨骼肌线粒体供氧以产生身体活动所需能量的能力。心肺适应是心脏代谢，癌症和全因死亡率的有力且独立的预测指标。

摄氧量（Oxygen Consumption, VO2）：V表示体积，O₂是氧气。VO2代表人体对骨骼肌供氧的能力，反映了多种器官系统和细胞过程的整合，包括肺通气，氧气通过循环系统的携氧能力和通过循环系统的运输，运动单元的中枢神经系统募集，毛细血管-骨骼肌水平的氧气扩散和提取，以及线粒体呼吸。

最大摄氧量（Maximal Oxygen Consumption, VO2max）: 指人体在运动中每分钟能摄入氧气的最大体积，也是CRF的重要指标。耐力运动是依赖氧气的，相同条件下，人体能摄入和使用的氧气越多，就能燃烧更多的糖或脂肪，为运动提供更多的动力。

目前我们对CRF的生物学基础及其与长期健康结局的密切关系并不完全了解，揭示VO2max的分子决定因素可有助于深入了解身体健康与幸福感之间的机制联系。

2021年5月，由美国波士顿贝斯以色列女执事医疗中心 (Beth Israel Deaconess Medical Center,BIDMC)主导的研究人员在Nature Metabolism （IF = 13.5）杂志上发表了题目为「人类血浆蛋白组揭示心肺适应相关性」的文章[1]。文中以VO2max为重要观察指标，研究了HERTITAGE队列中650例久坐的成年人在经过20周耐力训练干预之后，血浆蛋白质组中数千种生物标志物的变化。最终鉴定出147蛋白标志物与基线VO2max相关，102种生物标志物与ΔVO2max相关（适应性VO2max，可通过规律性锻炼获得）。另通过一个独立的运动队列研究发现其中21个蛋白和之前基于社区队列研究的全因死亡率密切相关，通过Olink PEA 蛋白组学技术验证其特异性可达75%。以上研究阐明了与心肺适应性相关的生物学途径，并突出了蛋白质生物标志物在识别人的运动反应性方面的潜在附加价值。

干货解读

通过血浆蛋白组学HERITAGE队列研究，研究人员确定了147个与基线VO2max相关的循环蛋白，包括85个正相关的蛋白和62个负相关的蛋白。与基线VO2max呈正相关的蛋白标志物涵盖多种器官系统和与CRF相关的生物过程，包括血管生成（ECM和ANTXR2）、凝血和造血作用（DAF和 TN）和脂质代谢（APOF和LIPK）等。

此外，研究人员还发现了大量与横纹肌结构及功能相关的循环蛋白。其中包括肌动蛋白和肌球蛋白稳定分子（ACTN2和MYOM2）；参与肌肉收缩的蛋白质（TNNI2和MYBPC1）；以及两个重要的肌球蛋白轻链元件（MYL3和MYL6B），它们可调节肌肉跨桥循环过程中的力量产生。研究人员还确定了血浆中参与糖酵解的几种肌肉异构体特异性酶，包括ENOB、ALDOA、PGAM1/2、LDHA和LDHB等。

研究人员在针对年龄、性别、BMI、种族、和VO2max基线水平调整的线性回归模型中找到了102个与ΔVO2max相关的基线蛋白。接着，研究人员进行了基因集富集分析（GSEA），以进一步阐明这组蛋白与在基线VO2max分析中发现蛋白之间的生化途径。结果发现，与ΔVO2max负相关蛋白富含于ECM相关的蛋白质（亦称matrisome）之中。同时，研究人员还比较了与基线VO2max相关的蛋白质组和与运动训练适应性VO2max改变相关的蛋白质组，发现两组之间的重叠最小。最终发现T132B、ATF6A、COL9A1、INS和PIANP五种蛋白质与基线VO2max和ΔVO2max相关。

随后，研究人员试图确定基线血浆蛋白是否能够提高预测运动训练中最大摄氧量变化的能力。首先使用包括年龄、性别、种族和BMI在内的临床特征模型进行了受试者工作特征（ROC）分析，使VO2max相对变化> 15％，曲线下面积（AUC）为0.62。对血浆蛋白质组进行特征选择和弹性净回归建模，最终得到了56种蛋白质，接下来，研究人员将该蛋白质组添加到临床特征模型中，AUC显著增加到0.81，同时灵敏度、特异性和上调/下调可预测值都有显著提高。

最后，研究人员使用基于抗体的蛋白质组学平台Olink Explore在HERITAGE特定样品中测试了不同平台主要研究结果的可重复性。结果表明，从HERITAGE获得的25个基于适配体的最佳蛋白质发现中，有19个与基于抗体的等效测定具有良好的相关性。此外，研究人员利用质谱（MS）和基因分析来支持适配体分析的特异性。在21种与全因死亡率显著相关的蛋白质中，17个cis-pQTL（在蛋白质同源基因转录起始位点1 Mb范围内）全基因组中显著相关，且与蛋白质组关系的特异性一致。

写在最后

该研究确定了与VO2max相关的大量循环蛋白作为生物标志物，并突出显示了其基线状态及其对耐力运动训练的适应性存在的不同特征。该研究也发现了这些特性相关的特定蛋白质及其生化途径，如骨代谢及平衡等信号通路。

但由于受限于目前各种条件约束，如HERITAGE仅为单臂研究队列，VO2max适应性在运动训练刺激以后会受到多种因素的影响，因此仍需要对这些数据的进一步分析研究，以产生更多的生物学见解，并激发模型系统升级以挖掘更多的蛋白质基本功能及其运动相关的生物学意义。

参考文献：

1. Human plasma proteomic profiles indicative of cardiorespiratory fitness. Nat Metab. 2021 Jun;3(6):786-797. doi: 10.1038/s42255-021-00400-z. Epub 2021 May 27.

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