Eine molekulare Karte des gesamten Körpers erklärt, warum Bewegung so gut für Sie ist

Sport stärkt nicht nur die Muskelkraft, verbessert die Herzgesundheit und senkt den Blutzuckerspiegel; er bringt auch eine Reihe weiterer gesundheitlicher Vorteile mit sich. Doch wie kann ein regelmäßiger Lauf auf dem Laufband, eine steile Radtour oder ein flotter Spaziergang in der Mittagspause so viele positive Auswirkungen auf die Gesundheit haben?

Dank einer umfangreichen neuen Studie der Stanford School of Medicine sind wir der Antwort auf diese Frage näher gekommen. Die Forscher führten fast 10.000 Messungen an fast 20 Gewebearten durch, um die Auswirkungen von achtwöchigem Ausdauertraining auf Laborratten zu untersuchen, die darauf trainiert wurden, auf Laufbändern in Nagetiergröße zu laufen.

Ihre Ergebnisse unterstreichen die bemerkenswerten Auswirkungen von Sport auf das Immunsystem, die Stressreaktion, die Energieproduktion und den Stoffwechsel. Sie fanden signifikante Zusammenhänge zwischen Sport und Molekülen und Genen, von denen bereits bekannt ist, dass sie bei verschiedenen menschlichen Erkrankungen und der Gewebereparatur eine Rolle spielen.

Die Studie ist Teil einer Reihe von Artikeln, die am 1. Mai von Mitgliedern eines multidisziplinären Forschungsteams veröffentlicht wurden und die Grundlage für das Verständnis der Reaktion unserer Gewebe und Zellen auf körperliche Betätigung auf Ganzkörper- und molekularer Ebene schaffen sollen.

„Wir alle wissen, dass Bewegung gut für uns ist“, sagt Dr. Stephen Montgomery, Professor für Pathologie. „Aber wir wissen wenig über die molekularen Signale, die beim Sport im Körper entstehen, oder wie diese durch Training verändert werden könnten. Unsere Studie ist die erste, die molekulare Veränderungen im gesamten Körper untersucht, von Proteinen über Gene, Metaboliten, Fette bis hin zur Energieproduktion. Sie ist die bisher umfassendste Analyse der Auswirkungen von Sport und liefert ein wichtiges Bild davon, wie er den Körper verändert.“

Montgomery, der auch Professor für Genetik und biomedizinische Datenwissenschaft ist, ist der Hauptautor des in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikels.

Eine koordinierte Ansicht der Übungen

Die an der Studie und anderen parallelen Publikationen beteiligten Forscher sind Teil einer nationalen Gruppe namens „Molecular Transducers of Physical Activity Consortium“ (MoTrPAC), die von den National Institutes of Health organisiert wird. Die Initiative wurde 2015 ins Leben gerufen, um detailliert zu untersuchen, wie Bewegung die Gesundheit verbessert und Krankheiten vorbeugt.

Das Team von Stanford Medicine hat einen Großteil der Schwerstarbeit geleistet und die Auswirkungen eines achtwöchigen Ausdauertrainings auf die Expression von Genen (Transkriptom), Proteinen (Proteom), Fetten (Lipidom), Metaboliten (Metabolom), das Muster der auf der DNA angebrachten chemischen Markierungen (Epigenom), das Immunsystem und mehr untersucht.

Sie führten 9.466 Tests an verschiedenen Geweben von Ratten durch, die darauf trainiert waren, immer größere Distanzen zu laufen, und verglichen die Ergebnisse mit denen von Ratten, die in ihren Käfigen faulenzten. Sie konzentrierten sich auf Beinmuskulatur, Herz, Leber, Nieren und weißes Fettgewebe (die Art von Fett, die sich bei Gewichtszunahme ansammelt); weitere Gewebe waren Lunge, Gehirn und braunes Fettgewebe (eine metabolisch aktivere Fettart, die zur Kalorienverbrennung beiträgt).

Die Kombination mehrerer Analysen und Gewebetypen ergab Hunderttausende Ergebnisse für nicht-epigenetische Veränderungen und über zwei Millionen unterschiedliche Veränderungen im Epigenom. Diese Ergebnisse werden die Wissenschaftler noch jahrelang beschäftigen.

Obwohl diese Studie in erster Linie dazu diente, eine Datenbank für zukünftige Analysen zu erstellen, konnten bereits einige interessante Ergebnisse erzielt werden. So stellten die Forscher fest, dass sich die Expression von 22 Genen in allen sechs untersuchten Geweben durch körperliche Betätigung veränderte.

Viele der Gene waren an sogenannten Hitzeschock-Signalwegen beteiligt, die die Proteinstruktur stabilisieren, wenn Zellen Stress ausgesetzt sind, beispielsweise bei Temperaturschwankungen, Infektionen oder Gewebeumbau. Andere Gene waren an Signalwegen beteiligt, die den Blutdruck senken und die Insulinempfindlichkeit des Körpers erhöhen, was wiederum den Blutzuckerspiegel senkt.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass die Expression mehrerer Gene, die mit Typ-2-Diabetes, Herzkrankheiten, Fettleibigkeit und Nierenerkrankungen in Verbindung stehen, bei den trainierenden Ratten im Vergleich zu ihren inaktiven Artgenossen reduziert war, was eindeutig auf einen Zusammenhang zwischen ihrer Forschung und der menschlichen Gesundheit hinweist.

Geschlechtsunterschiede

Schließlich stellten sie fest, dass es geschlechtsspezifische Unterschiede in der Reaktion verschiedener Gewebe bei männlichen und weiblichen Ratten auf körperliche Betätigung gab. Männliche Ratten verloren nach achtwöchigem Training etwa fünf Prozent ihres Körperfetts, während die weiblichen Ratten kaum Fett verloren. (Sie behielten jedoch ihren ursprünglichen Körperfettanteil bei, während die weiblichen Ratten, die sich nicht viel bewegten, im Verlauf der Studie zusätzlich vier Prozent Fett zulegten.)

Der größte Unterschied bestand jedoch in der Genexpression in den Nebennieren der Ratten. Nach einer Woche nahmen die Gene, die mit der Produktion von Steroidhormonen wie Adrenalin und der Energieproduktion in Zusammenhang stehen, bei männlichen Ratten zu, bei weiblichen hingegen ab.

Trotz dieser frühen, verlockenden Assoziationen warnen Forscher, dass die Sportwissenschaft noch lange nicht am Ende ihrer Entwicklung ist. Tatsächlich steht sie erst am Anfang. Doch die Zukunft sieht vielversprechend aus.

„Langfristig ist es unwahrscheinlich, dass wir eine magische Intervention finden, die alles reproduziert, was Sport für einen Menschen leisten kann“, sagte Montgomery. „Aber wir können der Idee von Präzisionstraining näher kommen – maßgeschneiderten Empfehlungen, die auf Genetik, Geschlecht, Alter oder anderen medizinischen Bedingungen einer Person basieren, um positive Ganzkörperreaktionen zu erzielen.“