運動がなぜ体に良いのか、全身の分子地図が説明する

運動は、筋力の増強、心臓の健康増進、血糖値の低下といった効果だけでなく、その他にも多くの健康効果をもたらします。しかし、トレッドミルで定期的に走ったり、急な坂道を自転車で走ったり、ランチタイムに早歩きをしたりするだけで、なぜこれほどまでに目が回るような健康効果が得られるのでしょうか？

スタンフォード大学医学部による大規模な新研究のおかげで、この疑問への答えに一歩近づきました。研究者たちは、約20種類の組織を対象に約1万点の測定を行い、げっ歯類サイズのトレッドミルで走るよう訓練された実験用ラットに8週間の持久力運動をさせた効果を調べました。

彼らの研究結果は、運動が免疫系、ストレス反応、エネルギー産生、代謝に及ぼす顕著な影響を浮き彫りにしました。彼らは、運動と、様々なヒト疾患や組織修復において役割を果たすことが既に知られている分子や遺伝子との間に、重要な関連性があることを発見しました。

この研究は、私たちの組織や細胞が運動に対してどのように反応するかを全身レベルと分子レベルで理解するための基礎を築くことを目的とした学際的研究チームのメンバーによって5月1日に発表された一連の論文のうちの1つである。

「運動が健康に良いことは誰もが知っています」と、病理学教授のスティーブン・モンゴメリー博士は述べています。「しかし、運動時に体全体で発生する分子シグナルや、トレーニングによってそれがどのように変化するかについては、ほとんど分かっていません。私たちの研究は、タンパク質から遺伝子、代謝物、脂肪、エネルギー産生に至るまで、全身レベルでの分子変化を調べた初めての研究です。これは、運動の影響に関するこれまでで最も広範なプロファイリングであり、運動が体にどのように変化をもたらすかを示す重要な地図を作成するものです。」

遺伝学および生物医学データサイエンスの教授でもあるモンゴメリー氏は、ネイチャー誌に掲載された論文の筆頭著者である。

演習の協調的な見方

この研究と同時発表されている他の論文に携わる研究者は、国立衛生研究所（NIH）が主催する「身体活動の分子トランスデューサーコンソーシアム（MoTrPAC）」と呼ばれる全国規模のグループに所属しています。この取り組みは、運動がどのように健康を改善し、病気を予防するかを詳細に研究するために2015年に開始されました。

スタンフォード大学医学部チームは、8週間の持久力トレーニングが遺伝子（トランスクリプトーム）、タンパク質（プロテオーム）、脂肪（リピドーム）、代謝産物（メタボローム）、DNAに付けられた化学タグのパターン（エピゲノム）、免疫システムなどの発現に及ぼす影響を研究するという大変な作業をこなしてきました。

研究チームは、走る距離を延ばす訓練を受けたラットの複数の組織を対象に、9,466件の検査を実施し、その結果をケージの中でのんびり過ごしていたラットの結果と比較した。検査対象は脚の筋肉、心臓、肝臓、腎臓、そして白色脂肪組織（体重増加に伴って蓄積される脂肪の一種）で、その他の組織には肺、脳、褐色脂肪組織（カロリー燃焼を助ける、代謝が活発な脂肪の一種）が含まれていた。

複数の分析と組織の種類を組み合わせることで、非エピジェネティックな変化については数十万件、エピゲノムについては200万件を超える異なる変化が明らかになりました。これらの結果は、今後何年にもわたって科学者たちの研究を刺激し続けるでしょう。

この研究は主に将来の分析のためのデータベースを作成することを目的としていましたが、すでにいくつかの興味深い結果が出ています。まず、研究対象とした6つの組織すべてにおいて、22個の遺伝子の発現が運動に伴って変化したことが明らかになりました。

これらの遺伝子の多くは、細胞が温度変化、感染、組織リモデリングなどのストレスにさらされた際にタンパク質構造を安定化させる、いわゆる熱ショック経路に関与していました。また、血圧を下げ、血糖値を下げるインスリンに対する体の感受性を高める経路に関与する遺伝子もありました。

研究者らはまた、運動しているラットでは運動していないラットに比べて2型糖尿病、心臓病、肥満、腎臓病に関連するいくつかの遺伝子の発現が減少していることにも注目しており、この研究と人間の健康の間に関連があることを明確に示した。

性差

最後に、研究チームは、オスとメスのラットの様々な組織が運動に反応する様子に性差があることを発見しました。オスのラットは8週間の運動後、体脂肪が約5%減少しましたが、メスのラットはあまり減少しませんでした。（ただし、オスのラットは運動開始時の体脂肪率を維持しましたが、運動不足のメスのラットは研究期間中にさらに4%の脂肪増加を示しました。）

しかし、最も大きな違いはラットの副腎における遺伝子発現でした。1週間後、アドレナリンなどのステロイドホルモンの産生やエネルギー産生に関連する遺伝子は、オスのラットでは増加しましたが、メスのラットでは減少しました。

こうした初期の興味深い関連性にもかかわらず、研究者たちは運動科学はまだ完成には程遠いと警告している。実際、まだ始まったばかりだ。しかし、未来は明るい。

「長期的には、運動が人にもたらす効果をすべて再現できる魔法のような介入法が見つかる可能性は低いでしょう」とモンゴメリー氏は述べた。「しかし、プレシジョン・エクササイズという概念に近づくことはできるでしょう。つまり、個人の遺伝子、性別、年齢、その他の病状に基づいて、全身に有益な反応をもたらす、カスタマイズされた運動のアドバイスを提供するという概念です。」