La mappa molecolare del corpo intero spiega perché l'esercizio fisico fa così bene

L'esercizio fisico non solo migliora la forza muscolare, migliora la salute del cuore e abbassa i livelli di zucchero nel sangue, ma offre anche una serie di altri benefici per la salute. Ma come fa una corsa regolare su un tapis roulant, una salita in bicicletta su una collina ripida o una camminata veloce all'ora di pranzo a produrre una serie così vertiginosa di benefici per la salute?

Siamo più vicini a rispondere a questa domanda grazie a un nuovo ed ampio studio condotto dalla Stanford Medical School. I ricercatori hanno effettuato quasi 10.000 misurazioni in quasi 20 tipi di tessuti per esaminare gli effetti di otto settimane di esercizio di resistenza su ratti da laboratorio addestrati a correre su tapis roulant delle dimensioni di un roditore.

I loro risultati evidenziano gli effetti drammatici dell'esercizio fisico sul sistema immunitario, sulla risposta allo stress, sulla produzione di energia e sul metabolismo. Hanno scoperto connessioni significative tra esercizio fisico, molecole e geni già noti per il loro ruolo in una varietà di malattie umane e nella riparazione dei tessuti.

Lo studio fa parte di una serie di articoli pubblicati il 1° maggio dai membri di un gruppo di ricerca multidisciplinare progettato per gettare le basi per comprendere, a livello molecolare e dell'intero corpo, come i nostri tessuti e cellule rispondono all'esercizio fisico. p>

"Sappiamo tutti che l'esercizio fisico fa bene", afferma il professore di patologia Stephen Montgomery, Ph.D. “Ma sappiamo poco dei segnali molecolari che si verificano in tutto il corpo quando le persone fanno esercizio, o di come possono cambiare con l’esercizio. Il nostro studio è il primo a esaminare i cambiamenti molecolari su scala dell’intero corpo, dalle proteine ai geni, ai metaboliti, ai grassi e alla produzione di energia. Si tratta della profilazione più ampia mai realizzata finora sugli effetti dell'esercizio fisico e crea un'importante mappa di come l'esercizio fisico cambia il corpo."

Montgomery, che è anche professore di genetica e scienza dei dati biomedici, è l'autore senior dell'articolo pubblicato su Nature.

Una visione coordinata dell'esercizio

I ricercatori coinvolti nello studio e in altre pubblicazioni simultanee fanno parte di un gruppo nazionale chiamato Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, o MoTrPAC, organizzato dal National Institutes of Health. Questa iniziativa è stata lanciata nel 2015 per studiare in dettaglio come l'esercizio fisico migliora la salute e previene le malattie.

Il team di Stanford Medicine ha svolto la maggior parte del lavoro pesante, studiando gli effetti di otto settimane di allenamento di resistenza sull'espressione di geni (trascrittoma), proteine (proteoma), grassi (lipidoma), metaboliti (metaboloma) e sul modello di segni chimici posti sul DNA (epigenoma), sul sistema immunitario, ecc.

Hanno condotto 9.466 analisi su più tessuti di ratti addestrati a correre per distanze crescenti e hanno confrontato i risultati con quelli di ratti che oziavano nelle loro gabbie. Hanno prestato particolare attenzione ai muscoli delle gambe, al cuore, al fegato, ai reni e al tessuto adiposo bianco (un tipo di grasso che si accumula con l'aumento di peso); altri tessuti includevano polmoni, cervello e tessuto adiposo bruno (un tipo di grasso metabolicamente più attivo che aiuta a bruciare calorie).

La combinazione di più test e tipi di tessuto ha prodotto centinaia di migliaia di risultati per cambiamenti non epigenetici e oltre 2 milioni di cambiamenti diversi nell'epigenoma. Questi risultati terranno impegnati gli scienziati per gli anni a venire.

Sebbene questo studio sia servito principalmente a creare un database per analisi future, sono già emersi alcuni risultati interessanti. Innanzitutto, hanno notato che l'espressione di 22 geni cambiava con l'esercizio in tutti e sei i tessuti su cui si erano concentrati.

Molti di questi geni sono coinvolti nei cosiddetti percorsi dello shock termico, che stabilizzano la struttura delle proteine quando le cellule sono esposte a stress, inclusi cambiamenti di temperatura, infezioni o rimodellamento dei tessuti. Altri geni sono stati implicati in percorsi che abbassano la pressione sanguigna e aumentano la sensibilità del corpo all'insulina, che abbassa lo zucchero nel sangue.

I ricercatori hanno inoltre notato che l'espressione di diversi geni associati al diabete di tipo 2, alle malattie cardiache, all'obesità e alle malattie renali era ridotta nei ratti che facevano esercizio rispetto alle loro controparti sedentarie, indicando chiaramente un legame tra la loro ricerca e la salute umana.

Differenze di genere

Infine, hanno scoperto differenze sessuali nel modo in cui i diversi tessuti dei ratti maschi e femmine rispondevano all'esercizio. I ratti maschi hanno perso circa il 5% del grasso dopo otto settimane di esercizio, mentre i ratti femmine non hanno perso una quantità significativa di grasso. (Tuttavia, hanno mantenuto la percentuale di grasso corporeo iniziale, mentre le femmine sessili hanno guadagnato un ulteriore 4% di grasso corporeo nel corso dello studio.)

Ma la differenza più grande è stata osservata nell'espressione genetica nelle ghiandole surrenali dei ratti. Dopo una settimana, i geni associati alla produzione di ormoni steroidei come l'adrenalina e la produzione di energia sono aumentati nei ratti maschi ma sono diminuiti nei ratti femmine.

Nonostante queste prime e allettanti associazioni, i ricercatori avvertono che la scienza dell'esercizio fisico è lungi dall'essere completa. Piuttosto, questo è solo l’inizio. Ma il futuro sembra promettente.

"A lungo termine, è improbabile che troveremo un intervento magico in grado di replicare tutto ciò che l'esercizio fisico può fare per una persona", ha affermato Montgomery. "Ma possiamo avvicinarci all'idea di esercizio di precisione: raccomandazioni personalizzate basate sulla genetica, sul sesso, sull'età o su altre condizioni mediche di una persona per ottenere risposte benefiche per tutto il corpo."