Zmiany w układzie immunologicznym

Kolejną płaszczyzną badań dotyczących wpływu wysiłku fizycznego na ekspresję genów jest układ immunologiczny. Jak się okazało, mięśnie szkieletowe w odpowiedzi na wysiłek wydzielają wiele cytokin m. in. IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10, IL-15, TNF-α, MCP-1, LIF i TGF-β,  które następnie mogą wpływać na pracę całego organizmu. Co ciekawe, zmiana ekspresji cytokin w mięśniach nie musi korelować z ich poziomem w ustroju np. czynnik martwicy nowotworów α (TNFα) oraz Interleukina 1β (IL1β) wydzielane przez mięśnie podczas wysiłku nie zmieniają stężenia we krwi. Odwrotna sytuacja dotyczy antagonisty receptora IL-1 (IL1ra) oraz IL-10, których stężenie w krążeniu wzrasta, ale nie obserwujemy wzrostu ekspresji w mięśniach. W mięśniach poza prozapalnymi czynnikami są również obserwowane zmiany ekspresji cytokin przeciwzapalnych np. IL-13 i IL-4 [2]. Zaobserwowano, że bezpośrednio po wysiłku zmniejsza się stężenie IL-4, jednak po 12-tygodniowym cyklu treningowym obserwowano wzrost ekspresji, co może wskazywać na jej udział w adaptacji do treningu [1].

Interesujące są także badania [17], w których odnotowano wzrost poziomu białych krwinek oraz cytokin prozapalnych - IL-6, IL-8, IL-10, IL-1ra, czynnika stymulującego kolonie granulocytów (GCSF), białka chemotaktycznego dla monocytów 1 (MCP-1), białka zapalnego makrofagów 1b (MIP-1b), TNF-a, czynnika hamującego migrację makrofagów (MIF) 2,3 oraz białka C-reaktywnego (CRP) - bezpośrednio po długim, intensywnym treningu (takim jak maraton), które nie tylko w niedługim czasie powracają do normy, ale co więcej obserwuje się obniżenie ich stężenia podczas odpoczynku. Regularny, umiarkowany wysiłek fizyczny wpływa korzystnie na układ immunologiczny powodując obniżenie przewlekłego stanu zapalnego i zmniejsza ryzyko wystąpienia chorób górnych dróg oddechowych (URTI), w przeciwieństwie do długich, intensywnych treningów podnoszących ryzyko URTI. W związku z powyższym proponowane są dwa typy krzywych obrazujących wspomnianą korelację - Krzywą „J” [18] (sugerującą, że umiarkowane ćwiczenia wpływają na obniżenie ryzyka URTI, jednakże wraz ze wzrostem ciężkości treningów znacznie wzrasta ryzyko URTI) oraz krzywą „U” [19] (biorącą pod uwagę częstość URTI w stosunku do poziomu wytrenowania – długości i częstości treningów).

Mięśnie szkieletowe wydzielają wspomniane cytokiny w odpowiedzi na wiele czynników np.: wewnątrzkomórkowe kinazy aktywowane mitogenem, białkowy czynnik szoku cieplnego 1 deacetylaz histonów, czynnik jądrowy uaktywnionych komórek T (NFAT), białko aktywujące (AP-1) i czynnik jądrowy κB (NFκB). Ponadto postulowane są także inne mechanizmy związane głównie z negatywnym wpływem na ekspresję genów cytokin poprzez degradację mRNA i hamowanie translacji. Jednym z takich mechanizmów są białka wiążące RNA (RBP): ludzki antygen R (HuR), biało regulujące splicing typu KH, białko wiążące CUG  1 (CUG-BP1), białko wiążące poli(A), Lin-28 oraz tristetraprolina. Wraz z RBP postuluje się także udział miRNA ulegającego ekspresji w odpowiedzi na wysiłek fizyczny [2].

Poza modelowaniem wydzielania cytokin przez mięśnie szkieletowe, wysiłek fizyczny wpływa także poprzez mechanizmy epigenetyczne na ekspresję genów związanych z odpowiedzią zapalną komórek układu immunologicznego. Jednym z takich czynników, którego ekspresja jest regulowana metylacją wysp CpG zlokalizowanych wokół exonu 1, jest adaptorowe białko apoptotyczne ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a carboxy-terminal CARD) przyłączające kaspazę.

Jak wykazały badania [3,4] przewlekłe ćwiczenia fizyczne wpływają na wzrost metylacji genu białka ASC wykazując ujemną korelację jego z ekspresją. Skutkiem tego oddziaływania jest spadek ekspresji IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10 i TNF, do której jest wymagane białko ASC biorące udział razem z receptorem toll-podobnym 4 (TLR4),  w regulacji wydzielania cytokin prozapalnych. 

Badania [16] dowodzą, że ekspresja TLR4 oraz lipopolisacharydu (LPS) jest istotnie większa na komórkach CD14 (monocyty/makrofagi) u osób nieaktywnych fizycznie stymulując przewlekły proces zapalny. Ponadto zaobserwowano również, iż wydzielanie białka C-reaktywnego (CRP) jest mniejsze u osób uprawiających sport.

Co więcej, badania ostatnich lat wykazały, że krótki, interwałowy trening jest w stanie wpłynąć na ekspresję wielu genów, krążących jednojądrzastych komórek krwi obwodowej (PBMC) oraz zmienić ich profil miRNA przy udziale modyfikacji epigenetycznej [5]. Ujawniono m. in. zwiększoną ekspresję miR-181a w PBMC, które (jak wykazały badania in vitro) zwiększa wrażliwość dojrzałych komórek T - w mechanizmie potranskrypcyjnej regulacji fosforylacji  - na antygeny peptydowe. Ujawniono również zmiany ekspresji miRNA odpowiedzialnych za regulację TLR – wzrost miR-132 oraz spadek miR-125b i let7e podczas wysiłku. MiR-125b i let7e – jak zaobserwowano – pośredniczą także w hamującym wpływie estradiolu na produkcję TNFα przez makrofagi. Innym przykładem jest miR-31 (oddziałuje na limfocyty T regulatorowe) oraz miR-21 (zmniejsza metylację limfocytów T CD4).

Ciekawa jest także obserwacja wzrostu ekspresji po wysiłku miR-223 specyficznego dla białaczki, który negatywnie reguluje proliferację, różnicowanie komórek progenitorowych i aktywację granulocytów [7].

Na podstawie badań [6] udało się także zidentyfikować trzy szlaki regulujące proces zapalny w odpowiedzi na wysiłek fizyczny przy udziale cząsteczek miRNA: szlak proteolizy zależny od ubikwityny (ubikwitynacja i deubikwitynacja wpływa na regulację szlaków immunologicznych), szlak sygnałowy Jak-STAT (wpływający na granulopoezę i funkcję neutrofili) oraz szlak Hedgehog (szlak sygnałowy leukocytów).

W innych badaniach [8] tych samych autorów zaobserwowano związek pomiędzy wysiłkiem a regulacją ekspresji genów komórek NK przez cząsteczki miRNA np. poprzez szlak MAPK.

Zaobserwowano ponadto spadek ekspresji genu acetylazy histonowej (HDAC9) w monocytach u osób poddanych wysiłkowi fizycznemu sugerując kolejny możliwy mechanizm przeciwzapalny, ponieważ acetylacja i deacetylacja DNA może odgrywać rolę w chorobach zapalnych [7].

Poza tym opisano także bardzo interesującą zależność pomiędzy regulacją transkrypcji genów kluczowych dla telomerów a treningiem aerobowym - główną rolę odgrywa tutaj regulacja genu dla odwrotnej transkryptazy telomeraz (TERT) [11]. Analiza komputerowa (in silico)  wykazała możliwe interakcje miRNA/mRNA odpowiednio: miR-181b i TERT, miR186 i TERF2IP, RAD50, SIRT6, miR096 i TERF2IP, miR-15a i kasetą wiążącą TATA (TBP). Niestety weryfikacja ekspresji po wysiłku fizycznym ujawniła tylko prawdopodobny związek pomiędzy spadkiem transkrypcji TERF2IP podczas jednoczesnego wzrostu miR-186 oraz miR-96.

Wykazano także wpływ deacetylacji histonów H3K9 i H3K56 telomerów przy udziale Sirt-6 na ich dostępność podczas replikacji oraz skracanie telomerów podczas wyciszenia genu dla Sirt-6.

Niestety pomimo oczywistego wpływu wysiłku fizycznego na układ immunologiczny opisane powyżej obserwacje wciąż wymagają potwierdzenia w badaniach in vivo, aby możliwe było poznanie dokładnych mechanizmów działania oraz ich szlaków. 

Zmiany w tkance tłuszczowej

Tkanka tłuszczowa jest organem endokrynnym, którego komórki tłuszczowe,adipocyty, wydzielają wiele hormonów oraz czynników modulujących metabolizm. Za regulację wydzielania odpowiadają w wielu przypadkach modyfikacje epigenetyczne, niestety powiązanie tych zmian z wysiłkiem fizycznym, zwłaszcza w kontekście miRNA jest wciąż tajemnicą. Niemniej jednak obserwując ich wpływ na ekspresję genów można wysunąć podejrzenie, że taka zależność istnieje. Badania [10] dowodzą związku m. in. pomiędzy miR-224 a regulacją metabolizmu kwasów tłuszczowych poprzez enzym syntetazę długołańcuchową acyl-CoA typu 4 (ACSL4) oraz pomiędzy miR-145 a regulacją lipolizy poprzez wpływ na produkcję TNFα. Dzięki temu wydaje się tylko kwestią czasu odkrycie zależności pomiędzy miRNA a wysiłkiem fizycznym.

W opublikowanych badaniach [9] zaobserwowano natomiast ogromną wpływ metylacji DNA oraz modyfikacji histonów na ekspresję genów w tkance tłuszczowej po sześciomiesięcznym cyklu aktywności fizycznej.

Zaobserwowano m. in. zmianę metylacji wysp CpG genów związanych ze zwiększonym ryzykiem cukrzycy typu 2: KCNQ1, TCF7L2, HHEX, IGF2BP2, JAZF1, CPEB4, SDCCAG8.

Ponadto opisano, że obniżenie ekspresji genu dla HDAC4 na skutek zwiększonej metylacji wpływa na wzrost ekspresji GLUT4, a także na zwiększoną lipogenezę tkanki tłuszczowej. Podobny skutek obserwowano podczas represji NCOR2 na skutek metylacji – występował wzrost adipogenezy i metabolizmu lipidów.

Zmiany zachodzące w mózgu

Zmiany adaptacyjne w układzie nerwowym, zachodzące pod wpływem aktywności fizycznej po raz kolejny dowodzą, że trening fizyczny to nie tylko ćwiczące mięśnie. Jak potwierdzają badania, ćwiczenia poprawiają funkcje poznawcze, zwiększają zdolność uczenia i zapamiętywania oraz zapobiegają chorobom związanych z zaburzeniami funkcji poznawczych, jak choroba Alzheimera. Wszystkie te działania są skutkiem zmian epigenetycznych ekspresji genów.

Badania na zwierzętach [12] podkreślają rolę, jaką odgrywa trening aerobowy w modulowaniu chromatyny poprzez modyfikacje histonów m. in. poprzez wzrost fosforylacji oraz acetylacji histonu H3 w hipokampie.

Zaobserwowano także dodatnią korelację [13], dotyczącą zmian epigenetycznych oraz wzrostu c-Fos dodatnich neuronów w zakręcie zębatym szczurów pomiędzy przewlekłym treningiem a zdolnością uczenia oraz radzenia sobie ze stresem.

Ponadto wykazano różnicę pomiędzy ekspresją genów w hipokampie oraz móżdżku [12]. Wzrost acetylacji histony H3 zaobserwowano w obu wspomnianych częściach mózgu podczas ćwiczeń, w przeciwieństwie do metylotransferazy (DNMT) oraz deacetylazy histonów (HDAC), które wykazywały różnice pomiędzy regionami mózgu. W obu przypadkach jednak następował spadek skorelowany z ćwiczeniami.

Najsilniejszy wzrost ekspresji związany z acetylacją histonu H3 zaobserwowano dla neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego (BDNF) mRNA w hipokampie u ćwiczących myszy, który dodatkowo pozytywnie koreluje z dystansem biegu i pozostaje podwyższony kilka dni po treningu, aby następnie powrócić do normy [12]. Wykazano także, że ma to wpływ na poprawę funkcji poznawczej oraz pamięci przestrzennej, co potwierdza brak takich obserwacji u szczurów z zablokowanym genem Bdnf w hipokampie. Ponadto BDNF wywiera wpływ na plastyczność synaptyczną z udziałem białka wiążącego cAMP (CREB), synapsyny I oraz synaptofizyny jednocześnie zwiększając ekspresję swojego mRNA oraz receptora kinazy tyrozynowej B (TfkB), zarówno w presynaptycznych, jak i postsynaptycznych miejscach - aktywując następnie kinazę MAPK [14].

Stwierdzono także [15], że pod wpływem wysiłku wzrost ufosforylowanej CaMKII przyspiesza fosforylacją CREB, który wiąże się następnie z białkiem wiążącym CREB (CBP), promując aktywność histonowej acetylotransferazy. Końcowym efektem jest aktywacja transktypcji genu Bdnf.

Zaobserwowano [20,21] także wzrost ekspresji genu dla Sirt-1 w odpowiedzi na wysiłek fizyczny, który jak udowodniono ma również pośredni wpływ na wzrost ekspresji genu Bdnf poprzez jego znaczenie w obniżeniu ekspresji miR-134 i promowaniu aktywacji białka CREB.

Nie obserwowano [12] jednak w odpowiedzi na wysiłek fizyczny wzrostu mRNA Bdnf, Syn1 ani Syp w móżdżku. Jak wynika z powyższego, prawdopodobnie gen Bdnf  nie jest celem H3 acetylacji w móżdżku.

Wyniki badań [12,15] histonowej deacetylazy (HDAC) w hipokampie jako odpowiedź na ćwiczenia współgrają z wynikami acetylacji – obserwowano brak zmian lub obniżenie ekspresji Hdac5, Hdac7 oraz Hdac8. Natomiast w stosunku do móżdżku nie obserwowano zmian aktywności HDAC za wyjątkiem Hdac2, która wykazywała wzrost. Pada więc podejrzenie, że Hdac2 może zmniejszać ekspresję genu, którego produkt działa negatywnie na proces uczenia się jak np. białkowa fosfataza 1 (PP1), która obniża pamięć i jest negatywnie regulowana przez metylację promotora genu. 

Ponadto wyniki badań [15] wskazują na możliwość regulacji zmian ekspresji genu Bdnf w hipokampie poprzez zmiany stosunku histonowej acetylazy/deacetylazy (HAT/HDAC). Stosunek ten zwiększają m. in. ćwiczenia fizyczne pobudzając ekspresję genu Bdnf, obniżając przy tym ryzyko rozwoju chorób neurodegeneracyjnych. Natomiast w móżdżku zachodził wzrost ekspresji genu Cbln1 - w hipokampie obserwowano spadek ekspresji lub brak zmian. Obserwowano ponadto wzrost ekspresji w móżdżku oraz brak zmian w hipokampie w stosunku do CAMKIV – białka odgrywającego rolę w pamięci długotrwałej móżdżku [12]. Opisano również kilka innych genów, których ekspresja jest skorelowana z treningiem m. in. Calb1, którego wzrost w hipokampie jest dodatnio skorelowany ze zdolnością uczenia się. Powyższe obserwacje pozwalają na stwierdzenie, że wzrost acetylacji podczas ćwiczeń pozwala na łatwiejsze uczenie się i zapamiętywanie.

Modyfikacje histonów to nie jedyne zmiany epigenetyczne zachodzące w mózgu. W badaniach [12] obserwuje się również zmiany metylacji DNA w odpowiedzi na wysiłek fizyczny. W móżdżku odnotowano spadek DNA metylotransferazy 1 (DNMT1) jako odpowiedź na trening aerobowy, z którym koreluje wzrost ekspresji genu Reln w mysich receptorach GABAergicznych.  Produktem wspomnianego genu jest białko Relina, odgrywające rolę w presynaptycznym uwalnianiu neurotransmiterów, dendrytycznej translacji mRNA oraz pozytywnie wpływa na plastyczność synaps w mózgu.

W hipokampie odnotowano [12,15] spadek DNMT1, DNMT3a oraz DNMT3b, co przypuszczalnie koreluje ze wzrostem ekspresji genu Bdnf. W warstwie CA1 hipokampa zaobserwowano zaś wzrost DNMT3a oraz DNMT3b w odpowiedzi na test warunkowania lękowego, pozwalając na wysunięcie hipotezy dotyczącej inhibicji genów obniżających pamięć np. PP1 w odpowiedzi na metylację DNA.

Reasumując, zmiany epigenetyczne zachodzące w organizmie ludzkim podczas oraz po aktywności fizycznej zarówno wytrzymałościowej, jak i oporowej wywierają korzystny efekt nie tylko na narządy bezpośrednio związane z treningiem. Organizm ludzki funkcjonuje jak dobrze zgrana orkiestra, w której prawdopodobnie każdy organ ma swój wkład w efekt końcowy. Daleko jeszcze do odkrycia wszystkich zmian zachodzących podczas aktywności fizycznej. Jednak już dzisiaj możemy być pewni, że ruch jest dla nas wspaniałym naturalnym lekiem chroniących oraz łagodzącym przebieg wielu chorób, o których więcej zostanie napisane w ostatniej części cyklu „Wysiłek fizyczny a geny”.
Ponadto regularny, umiarkowany wysiłek fizyczny jest także poniekąd receptą na długowieczność, ponieważ zmiany epigenetyczne związane z wysiłkiem spowalniają naturalne procesy starzenia, które są związane m. in. ze wspomnianą już niejednokrotnie metylacją DNA.

Łukasz Głowacki