Les mécanismes multi-omiques

soutenir la promotion de la santé globale et la prévention des maladies par l'exercice physique régulier

Contexte

En mai de cette année, le Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) a publié une importante étude explorant les mécanismes multi-omiques à l'origine de la promotion de la santé globale et de la prévention des maladies par l'exercice physique régulier. Dans cette étude, ils ont mené un régime d'entraînement d'endurance de huit semaines sur un modèle de souris et ont identifié des milliers de changements moléculaires communs et spécifiques aux tissus dans le sang total et le plasma. La recherche a également mis en évidence des différences entre les sexes dans divers tissus. Grâce à l'analyse multi-omique et multi-tissulaire au cours du temps, l'étude a révélé de vastes connaissances biologiques sur les réponses adaptatives à l'entraînement d'endurance, y compris une régulation étendue des voies immunitaires, métaboliques, de réponse au stress et mitochondriales. Nombre de ces changements sont étroitement liés à la santé humaine, notamment à la stéatose hépatique non alcoolique, aux maladies inflammatoires de l'intestin, à la santé cardiovasculaire, ainsi qu'aux lésions tissulaires et à la récupération. Les données et l'analyse fournies dans cette étude constitueront une ressource précieuse pour comprendre et explorer les effets moléculaires multi-tissulaires de l'entraînement d'endurance.

La dynamique temporelle de la réponse multi-omique à l'entraînement d'endurance fait référence aux changements de diverses biomolécules et de leurs fonctions au fil du temps sous l'influence d'une activité physique soutenue et régulière visant à améliorer l'endurance cardiovasculaire, respiratoire et musculaire. Ce domaine de recherche est hautement interdisciplinaire, impliquant la génomique (expression des gènes), la transcriptomique (niveaux d'ARN), la protéomique (niveaux de protéines), la métabolomique (niveaux de métabolites) et d'autres domaines omiques qui, ensemble, fournissent une vue d'ensemble de l'adaptation physiologique au niveau moléculaire.

1. Génomique et transcriptomique :

Sous l'influence de l'entraînement d'endurance, les profils d'expression génique changent, certains gènes étant régulés à la hausse (augmentation de l'expression) tandis que d'autres sont régulés à la baisse (diminution de l'expression). Ces changements peuvent affecter les voies liées au métabolisme énergétique, à l'inflammation, à la réparation musculaire et à la croissance.

Le moment et la durée de ces changements peuvent varier. Certains effets sont immédiats, tandis que d'autres se développent à long terme, l'organisme s'adaptant progressivement au stimulus d'entraînement.

2. Protéomique :

Les modifications de la teneur en protéines des muscles et d'autres tissus peuvent refléter des adaptations à court et à long terme. Par exemple, chez les personnes entraînées, une augmentation des enzymes liées au métabolisme aérobie, telles que la citrate synthase ou la cytochrome c oxydase, est couramment observée.

Les protéines liées aux réponses au stress, à la défense antioxydante et à la contraction musculaire peuvent également subir des changements significatifs avec l'entraînement d'endurance.

3. Métabolomique :

L'exercice d'endurance entraîne des changements dans les voies métaboliques, affectant les concentrations de divers métabolites. Il s'agit notamment de modifications du métabolisme des acides aminés, des glucides et des lipides, qui reflètent l'adaptation de l'organisme à des besoins énergétiques accrus et à une utilisation plus efficace des carburants.

Avec l'entraînement, la flexibilité métabolique (la capacité de passer d'une source de carburant à une autre, par exemple des glucides aux lipides) est souvent améliorée.

4. Épigénétique :

Les modifications épigénétiques, telles que la méthylation de l'ADN et les modifications des histones, peuvent être influencées par l'entraînement d'endurance. Ces modifications peuvent altérer l'expression des gènes sans changer la séquence d'ADN sous-jacente, ce qui peut conduire à des adaptations durables.

5. Microbiome :

On s'intéresse de plus en plus à la manière dont l'exercice d'endurance affecte et contribue aux bienfaits du microbiome intestinal. Des changements dans la composition et la fonction du microbiote intestinal ont été associés à des améliorations de la santé et des performances métaboliques.

6. Dynamique temporelle des réponses multi-Omic à l'entraînement à l'exercice d'endurance :

Réponse aiguë : Immédiatement après l'exercice, on observe une augmentation transitoire des marqueurs de lésions musculaires, d'inflammation et de stress oxydatif, ainsi que des changements dans l'utilisation des substrats.

Adaptation à court terme : En l'espace de quelques jours à quelques semaines, l'organisme commence à s'adapter au fur et à mesure que l'entraînement se poursuit. Cela se traduit par une biogenèse mitochondriale accrue, une meilleure sensibilité à l'insuline et des modifications de l'expression des gènes liés au métabolisme énergétique.

Adaptation à long terme : après des mois ou des années d'entraînement soutenu, des changements profonds se produisent, notamment des modifications structurelles et fonctionnelles au niveau du cœur et des muscles squelettiques, ainsi que des améliorations de la santé métabolique globale.

Résumé

Il est essentiel de comprendre cette dynamique temporelle pour optimiser les régimes d'entraînement, prévenir le surentraînement et développer des approches personnalisées afin d'améliorer les performances sportives et la santé. La recherche dans ce domaine comprend souvent des études longitudinales, analysant les profils multi-omiques des participants à des moments définis avant, pendant et après les périodes d'entraînement afin d'identifier les moments clés et les modèles d'adaptation.

Méthodes expérimentales :

1. Adaptation animale :

Dans l'expérience, les rats Fischer 344 mâles et femelles ont subi au moins quatre semaines d'adaptation environnementale avant de commencer l'entraînement d'endurance pour réduire le stress. Les rats ont été adaptés à un cycle lumière/obscurité inversé, les lumières étant éteintes à 9 heures du matin et allumées à 21 heures, de sorte que l'entraînement sur tapis roulant ait lieu pendant la phase d'activité normale des rats. Les rats ont été logés à deux par cage dans des étagères ventilées avec une litière en pin blanc déchiqueté.

2. Régime alimentaire et conditions environnementales :

Les animaux étaient libres de s'alimenter selon la composition calorique suivante : 21,196 % de protéines, 14,774 % de graisses (extrait d'éther) et 64,030 % d'hydrates de carbone. L'animalerie a été surveillée quotidiennement, la température étant maintenue entre 20 et 25 °C et l'humidité relative entre 25 et 55 %. Des lampes rouges ont été utilisées pendant le cycle d'obscurité des rats afin de fournir un éclairage suffisant pour les soins de routine, la manipulation et la formation des animaux.

3. Exercice sur tapis roulant :

L'exercice sur tapis roulant a été réalisé sur un tapis roulant pour rats à cinq canaux. Toutes les manipulations des animaux et tous les exercices ont eu lieu pendant la phase active d'obscurité des rats. Après leur arrivée, les rats ont été acclimatés au cycle lumière/obscurité inversé pendant au moins 10 jours. Après une période d'adaptation initiale, les rats ont été soumis à un protocole de familiarisation de 12 jours sur le tapis roulant afin de s'y habituer et d'identifier les rats non coopératifs. Les rats qui ne pouvaient pas courir en continu pendant 5 minutes à 10 m/min avec une inclinaison de 0° ont été classés comme non coopératifs et retirés de l'étude. Les rats qui ont réussi à se familiariser avec le tapis roulant pendant 12 jours ont été enregistrés dans une base de données de rats et assignés au hasard à un groupe de contrôle ou à un groupe d'entraînement afin de garantir des poids moyens égaux entre les groupes.

4. Répartition aléatoire des rats par âge et par sexe

Les rats âgés de 8 semaines ont été affectés au hasard au groupe témoin ou au groupe de formation en fonction du sexe et des quartiles de poids corporel. Les rats âgés de 4 semaines ont été directement affectés au groupe témoin sans randomisation. Les rats âgés de 1 et 2 semaines ont été assignés au hasard au groupe d'entraînement d'une semaine ou de deux semaines en fonction du sexe et des quartiles de poids corporel.

5. Protocole d'entraînement :

L'entraînement d'endurance a commencé à l'âge de 6 mois pour les rats mâles et femelles et a duré 1, 2, 4 ou 8 semaines. À cet âge, la masse musculaire maigre de la souche avait atteint un plateau. Les rats se sont entraînés sur un tapis roulant 5 jours par semaine, en suivant un protocole d'entraînement progressif visant à atteindre environ 70 % de l'absorption maximale d'oxygène (VO2max) des rats. La vitesse initiale du tapis roulant était basée sur les mesures de VO2max effectuées après la phase de familiarisation et avant l'entraînement. L'entraînement a eu lieu pendant la phase d'obscurité des rats, pendant 5 jours consécutifs chaque semaine, commençant au plus tôt à 10h00 et se terminant au plus tard à 17h00.

6. Intensification de l'entraînement :

Le protocole d'entraînement commençait par une inclinaison de 5°, 13 m/min pour les mâles, 16 m/min pour les femelles, et une durée de 20 minutes. Comme indiqué dans le tableau 1, la durée de l'exercice a augmenté d'une minute chaque jour jusqu'au 31e jour (semaine 7), où la durée a atteint 50 minutes. L'inclinaison du tapis roulant a commencé à 5° et est passée à 10° à la semaine 3, et est restée à 10° pendant le reste de la période d'entraînement. La vitesse du tapis roulant a augmenté au début des semaines 2, 4, 5, 6 et 7. À partir de la semaine 7, la vitesse, l'inclinaison et la durée ont été fixées et maintenues pendant les 10 derniers jours afin d'assurer un entraînement à l'état stable. Si un rat ne parvenait pas à suivre au moins 4 jours d'entraînement par semaine, il était retiré de l'étude et euthanasié.

7. Groupe de contrôle :

Les rats du groupe témoin ont été placés sur un tapis roulant stationnaire (0 m/min) pendant 15 minutes par jour, 5 jours par semaine, selon un programme similaire à celui du groupe d'entraînement de 8 semaines. Les animaux du groupe de contrôle avaient le même âge que les animaux du groupe d'entraînement de 8 semaines. Il est important de noter que les rats âgés de 6 à 9 mois avaient atteint leur maturité et présentaient des différences physiologiques minimes avant l'âge de 12 mois.

Analyse de la composition corporelle

La composition corporelle a été mesurée pour tous les rats 13 jours avant le début de la période d'entraînement à l'aide d'un analyseur de composition corporelle. Cet appareil a été utilisé pour mesurer le tissu maigre, la graisse corporelle et les fluides corporels chez des animaux vivants et éveillés. Pour les rats des groupes d'entraînement de 4 et 8 semaines, la composition corporelle a été mesurée à nouveau 5 jours avant le prélèvement des tissus.

Analyse de la VO2max

La VO2max a été évaluée pour tous les rats avant l'entraînement, et pour les groupes d'exercice de 4 et 8 semaines à la fin des périodes d'entraînement respectives. Les rats ont été adaptés au tapis roulant pendant deux jours avant d'être testés sur un tapis roulant fermé à une voie. Le jour du test, les rats ont été placés sur le tapis roulant et une fois que leur consommation d'oxygène s'est stabilisée, le test a commencé. Le test a commencé par un échauffement de 15 minutes à 9 m/min et une inclinaison de 0°. Après l'échauffement, l'inclinaison a été portée à 10° et la vitesse du tapis roulant a été augmentée de 1,8 m/min toutes les 2 minutes.

Les chocs n'étaient utilisés qu'en cas de nécessité, et seulement si le rat cessait de courir et s'asseyait dans la zone de choc. Le test se terminait si le rat s'asseyait dans la zone de choc trois fois consécutivement et ne réagissait pas à l'augmentation du choc. Après le test, les rats ont été retirés du tapis roulant et une prise de sang a été effectuée au niveau de la queue pour mesurer le lactate.

Les critères pour atteindre la VO2max étaient les suivants : malgré l'augmentation de la charge de travail, l'absorption d'oxygène atteint un plateau, le rapport d'échange respiratoire dépasse 1,05 et les niveaux de lactate dans le sang sont ≥6 mM.

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