운동이 건강에 좋은 이유를 설명하는 전신의 분자 지도

운동은 근력 강화, 심장 건강 증진, 혈당 수치 감소뿐만 아니라 다양한 건강상의 이점과도 관련이 있습니다. 하지만 규칙적인 러닝머신 달리기, 가파른 경사의 자전거 타기, 점심시간에 빠르게 걷기가 어떻게 이렇게 놀라운 건강상의 이점을 가져다줄까요?

스탠퍼드 의대의 새로운 대규모 연구 덕분에 우리는 그 질문에 대한 해답에 한 걸음 더 다가갔습니다. 연구진은 설치류 크기의 트레드밀에서 달리도록 훈련된 실험용 쥐를 대상으로 8주간 지구력 운동의 효과를 확인하기 위해 약 20가지 유형의 조직에서 약 1만 건의 측정을 수행했습니다.

연구 결과는 운동이 면역 체계, 스트레스 반응, 에너지 생성, 그리고 신진대사에 미치는 놀라운 효과를 강조합니다. 또한, 운동과 다양한 인간 질병 및 조직 재생에 관여하는 것으로 이미 알려진 분자 및 유전자 사이에 유의미한 연관성이 있음을 발견했습니다.

이 연구는 다학제 연구팀 구성원이 5월 1일에 발표한 일련의 논문 중 하나로, 운동에 우리 조직과 세포가 어떻게 반응하는지 전신 및 분자 수준에서 이해할 수 있는 기반을 마련하기 위해 고안되었습니다.

"운동이 우리에게 좋다는 것은 우리 모두 알고 있습니다."라고 병리학 교수 스티븐 몽고메리 박사는 말합니다. "하지만 사람들이 운동할 때 몸 전체에서 발생하는 분자 신호나 훈련으로 인해 그 신호가 어떻게 변화하는지에 대해서는 아는 것이 거의 없습니다. 우리 연구는 단백질부터 유전자, 대사산물, 지방, 에너지 생성에 이르기까지 전신의 분자적 변화를 살펴본 최초의 연구입니다. 이 연구는 운동의 효과를 지금까지 가장 광범위하게 분석한 것이며, 운동이 신체에 미치는 변화에 대한 중요한 지도를 제공합니다."

유전학과 생물의학 데이터 과학 교수이기도 한 몽고메리는 Nature 저널 에 게재된 논문의 수석 저자입니다.

운동의 조정된 관점

이 연구와 동시 발표된 다른 논문에 참여한 연구진은 미국 국립보건원(NIH)이 주관하는 신체 활동 분자 변환기 컨소시엄(MoTrPAC)이라는 전국 단체에 소속되어 있습니다. 이 이니셔티브는 운동이 건강을 증진하고 질병을 예방하는 방식을 자세히 연구하기 위해 2015년에 시작되었습니다.

스탠포드 의대 연구팀은 8주간의 지구력 훈련이 유전자(전사체), 단백질(프로테옴), 지방(지질체), 대사산물(대사체), DNA에 붙은 화학적 태그 패턴(후성유전체), 면역 체계 등의 발현에 미치는 영향을 연구하는 등 많은 노력을 기울였습니다.

연구진은 점점 더 먼 거리를 달리도록 훈련받은 쥐의 여러 조직에 대해 9,466회의 검사를 실시하고, 그 결과를 우리 안에서 게으르게 쉬고 있는 쥐의 결과와 비교했습니다. 연구진은 다리 근육, 심장, 간, 신장, 그리고 백색 지방 조직(체중이 증가함에 따라 축적되는 지방 유형)에 초점을 맞추었습니다. 다른 조직으로는 폐, 뇌, 그리고 갈색 지방 조직(칼로리 소모를 돕는 대사 활성도가 더 높은 지방 유형)이 포함되었습니다.

여러 분석과 조직 유형을 조합하여 비후성유전학적 변화에 대한 수십만 건의 결과와 후성유전체에 대한 200만 건 이상의 개별적인 변화에 대한 결과를 도출했습니다. 이러한 결과는 앞으로 수년간 과학자들을 바쁘게 만들 것입니다.

이 연구는 주로 향후 분석을 위한 데이터베이스 구축에 중점을 두었지만, 몇 가지 흥미로운 결과가 이미 나타났습니다. 첫째, 연구진은 연구 대상이었던 6개 조직 모두에서 22개 유전자의 발현이 운동에 따라 변한다는 사실을 발견했습니다.

많은 유전자들이 소위 열충격 경로에 관여하는데, 이는 세포가 온도 변화, 감염, 조직 재형성 등의 스트레스에 노출될 때 단백질 구조를 안정화하는 경로입니다. 다른 유전자들은 혈압을 낮추고 인슐린 민감도를 높여 혈당 수치를 낮추는 경로에 관여합니다.

연구진은 또한 2형 당뇨병, 심장병, 비만 및 신장 질환과 관련된 여러 유전자의 발현이 운동을 하는 쥐에서 운동을 하지 않는 쥐에 비해 감소한 것을 발견했는데, 이는 연구와 인간의 건강 사이에 명확한 연관성이 있음을 보여줍니다.

성별 차이

마지막으로, 연구진은 수컷과 암컷 쥐의 다양한 조직이 운동에 어떻게 반응하는지에 성별 차이를 발견했습니다. 수컷 쥐는 8주간 운동 후 체지방의 약 5%가 감소한 반면, 암컷 쥐는 체지방이 크게 감소하지 않았습니다. (단, 수컷 쥐는 초기 체지방률을 유지한 반면, 운동을 하지 않는 암컷 쥐는 연구 기간 동안 체지방이 4% 증가했습니다.)

하지만 가장 큰 차이는 쥐의 부신에서 발현된 유전자였습니다. 일주일 후, 아드레날린과 같은 스테로이드 호르몬 생성 및 에너지 생성과 관련된 유전자는 수컷 쥐에서는 증가했지만 암컷 쥐에서는 감소했습니다.

이러한 초기의 흥미로운 연관성에도 불구하고, 연구자들은 운동 과학이 아직 완성되지 않았다고 경고합니다. 사실, 이제 막 시작일 뿐입니다. 하지만 미래는 밝아 보입니다.

"장기적으로 볼 때, 운동이 사람에게 줄 수 있는 모든 효과를 완벽하게 재현하는 마법 같은 치료법을 찾기는 어려울 것입니다."라고 몽고메리는 말했습니다. "하지만 정밀 운동이라는 개념에 더 가까워질 수 있습니다. 개인의 유전적 특성, 성별, 연령 또는 기타 건강 상태에 기반한 맞춤형 운동 추천을 통해 유익한 전신 반응을 얻을 수 있는 것입니다."