運動與蛋白質組：生物標記物在確定人類運動反應方面的潛在價值

2021年5月，貝斯以色列女執事醫療中心、慕尼黑工業大學、格拉茨技術大學等單位的研究人員在《Nature Metabolism》上發表了題為“Human plasma proteomic profiles indicative of cardiorespiratory fitness”的研究論文，闡明瞭與心肺適應性相關的生物學途徑，並突出了蛋白質生物標誌物在識別人的運動反應性方面的潛在附加價值。

亮點概述：

鑑定出147種和102種分別與基線VO2max和ΔVO2max相關的血漿蛋白。

在基於臨床特徵的評分中加入從這些蛋白質中提取的蛋白質生物標誌物評分，可以改善對個體ΔVO2max的預測。

在一個單獨的運動佇列中驗證了研究結果，21種蛋白質與社群佇列中發生的全因死亡率聯絡起來。

使用基於抗體的分析重現了主要研究結果的約75%的特異性。

研究背景

攝氧量（VO2）代表人體對骨骼肌供氧的能力，反映了多種器官系統和細胞過程的整合，包括肺通氣，氧氣透過迴圈系統的攜氧能力和透過迴圈系統的運輸，運動單元的中樞神經系統募集，毛細血管-骨骼肌水平的氧氣擴散和提取，以及線粒體呼吸。最大攝氧量（VO2max）定義了這些過程的極限，因此被廣泛認為是心肺適應性（CRF）的金標準。

因此，VO2max（作為CRF的直接指標）已被確立為心血管疾病（CVD）和全因死亡率的有力預後指標。VO2max與CVD和死亡率風險呈反比關係，既適用於其基線測量值（本徵VO2max），也適用於透過有規律的體育鍛煉來改善VO2max的能力（獲得性或適應性VO2max；ΔVO2max）。VO2max和ΔVO2max的兩個基線量度在一般人群中似乎有很大差異。

鑑於我們對CRF的生物學基礎及其與長期健康結局的密切關係的不完全瞭解，揭示VO2max的分子決定因素可能有助於深入瞭解身體健康與幸福感之間的機制聯絡。實際上，這已經成為醫學界的重要目標。目前，很少有關於人類CRF血漿蛋白質組學特徵的資料，特別是在運動訓練的背景下。這些限制部分是由於捕獲迴圈蛋白質的高度動態範圍所涉及的技術挑戰。

研究人員透過在超過650名健康但久坐的參與者中應用大規模親和力為基礎的平臺，在20周監督耐力訓練干預前後，比較基線VO2max的迴圈蛋白質組學特徵及其對運動計劃的適應性。HERITAGE佇列由成年父母及其生物學後代組成。研究人員使用多重單鏈DNA適體（SOMAmers）測定法測量了約5，000種蛋白質，首先測試了後代中基線VO2max的年齡和性別調整後的蛋白質關聯（n = 503），然後試圖在父代中複製我們的發現（n = 242）。再使用錯誤發現率（FDR）閾值

後代和父母中與基線VO2max相關的蛋白質

在整個佇列中，研究人員確定了147個與基線VO2max相關的迴圈蛋白，包括85個正相關的蛋白和62個負相關的蛋白。與基線VO2max呈正相關的蛋白跨器官系統和與CRF相關的生物過程，包括血管生成（例如細胞外基質蛋白1（ECM1）和炭疽毒素受體2（ANTXR2）），凝血和造血作用（例如補體衰減加速因子（DAF）和四連蛋白（TN））和脂質代謝（例如載脂蛋白F（APOF）和脂肪酶K（LIPK））。此外，研究人員還發現了大量與橫紋肌結構和功能相關的迴圈蛋白。其中包括肌動蛋白和肌球蛋白穩定分子（例如，α-肌動蛋白2（ACTN2）和肌球蛋白2（MYOM2））；參與肌肉收縮的蛋白質（例如，肌鈣蛋白I（TNNI2）和肌球蛋白結合蛋白C（MYBPC1））；以及兩個重要的肌球蛋白輕鏈元件（MYL3和MYL6B），它們可調節肌肉跨橋迴圈過程中的力量產生。研究人員還確定了血漿中參與糖酵解的幾種肌肉異構體特異性酶，包括β-烯醇酶（ENOB），ALDOA，磷酸甘油酸突變酶1（PGAM1）和2（PGAM2）以及乳酸脫氫酶α（LDHA）和β（LDHB）。

與基線和ΔVO2max相關的血漿蛋白

肌肉蛋白與基線VO2max呈正相關

研究人員在針對年齡、性別、BMI、種族、和VO2max基線水平調整的線性迴歸模型中找到了102個與ΔVO2max相關的基線蛋白。接著，研究人員進行了基因集富集分析（GSEA），以進一步闡明這組蛋白之間以及先前在基線VO2max分析中分別確定的蛋白的生化途徑。結果發現，與ΔVO2max負相關的蛋白質富含ECM相關蛋白質，但是，正向相關的蛋白質富集了核心訊號傳導途徑，包括血小板衍生的生長因子受體，神經營養蛋白和肝細胞生長因子途徑的訊號傳導。這些生化途徑與 GSEA 應用於與基線VO2max 相關的蛋白質後的富集途徑形成對比。此外，研究人員還比較了與基線VO2max相關的蛋白質組和與運動訓練適應性VO2max改變相關的蛋白質組，，發現兩組之間的重疊最小。只有T132B、ATF6A、COL9A1、INS和PIANP五種蛋白質與基線VO2max和ΔVO2max相關。

與ΔVO2max或基線VO2max相關的蛋白質的GSEA

隨後，研究人員試圖確定基線血漿蛋白是否能夠提高預測運動訓練中最大攝氧量變化的能力。首先使用包括年齡、性別、種族和BMI在內的臨床特徵模型進行了受試者工作特徵（ROC）分析，使VO2max相對變化> 15％。曲線下面積（AUC）為0。62。對5，000種蛋白質進行特徵選擇和彈性淨迴歸建模，最終得到了56種蛋白質。接下來，研究人員將蛋白質組新增到臨床特徵模型中，AUC顯著增加到0。81。表明血漿蛋白可改善ΔVO2max反應的預測。

相對Vo2max的ROC曲線隨運動訓練>15%而變化

研究人員之前在弗雷明翰心臟研究（FHS）後代研究中進行了蛋白質組學分析。在與HERITAGE中的ΔVO2max相關的102種蛋白質中，兩個批次的FHS中都有20種可用。 FHS中提供了與基線VO2max相關的147種蛋白質中的36種。在年齡和性別校正分析中，36個蛋白質中有12個與基線VO2max相關，20個蛋白質中有9個與基線VO2max相關ΔVO2max也與事件全因死亡率相關。接下來，研究人員使用這些蛋白質組（分別為12個和9個蛋白質）進行逐步迴歸，以估計年齡、性別和批次之外每種蛋白質解釋的全因死亡率的百分比變化。在與ΔVO2max相關的蛋白中，巨噬細胞金屬蛋白酶（MMP12）與全因死亡率最相關。

最後，研究人員使用基於抗體的蛋白質組學平臺（Olink Explore）在HERITAGE特定樣品中測試了基於適體的主要研究結果的可重複性。結果表明，從HERITAGE獲得的25個基於適體的最佳蛋白質發現中，有19個與基於抗體的等效測定具有良好的相關性。此外，研究人員利用質譜（MS）和基因分析來支援適體分析的特異性。在21種與全因死亡率顯著相關的蛋白質中，17種在順式位點（在蛋白質同源基因轉錄起始位點1 Mb範圍內）的全基因組顯著相關，與適體-蛋白質關係的特異性一致。

在最佳發現中，基於適體和基於抗體的測定之間Spearman的相關性

總之，該研究確定了與VO2max相關的大量迴圈蛋白，並突出顯示了其基線狀態及其對耐力運動訓練的適應性存在的不同特徵。儘管該研究發現突出了與這些特性相關的特定蛋白質和生化途徑，但對這些資料的進一步分析應產生更多的生物學見解，並激發模型系統的研究，以鑑定這些蛋白質的來源並評估其功能意義。