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Exerc Sci > Volume 33(3); 2024 > Article
신체 활동의 분자 전달체 컨소시엄(MoTrPAC) 연구동향과 운동과학 적용

Abstract

PURPOSE

Exercise plays a crucial role in maintaining human health and is widely recognized for its effectiveness in preventing and managing chronic diseases. However, the molecular mechanisms by which exercise exerts its beneficial effects on the body remain unclear. The Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) is a collaborative research initiative that brings together multiple institutions and organizations to investigate the molecular mechanisms of exercise.

METHODS

This article provides a comprehensive overview of the MoTrPAC, detailing its structure, research strategies, and methodologies. We reviewed the consortium's primary research objectives, methodologies, key findings, and potential applications in exercise science. This analysis was conducted through a systematic review of online databases and search engines, including PubMed, Web of Science, and Google Scholar.

RESULTS

The MoTrPAC uses animal models and human studies to explore the physiological effects of exercise on various tissues. Research by the consortium has demonstrated that different types and intensities of exercise induce specific gene expression changes, activate diverse metabolic pathways, such as fatty acid oxidation, glucose metabolism, and protein synthesis, and restructure protein interaction networks in muscle tissue. These studies have identified novel biomarkers that can be used to assess the molecular effects of exercise.

CONCLUSIONS

MoTrPAC significantly advances our understanding of the molecular mechanisms underlying the effects of exercise. The consortium's findings have the potential to inform the development of personalized exercise prescriptions and health management strategies. Future research should include more diverse populations and investigate the long-term effects of exercise to enhance our understanding of the profound impact of physical activity on human health.

서 론

신체 활동은 심혈관 건강 개선, 체중 관리, 정신 건강 증진 등 다양한 건강상의 이점을 제공하는 것으로 잘 알려져 있다[1,2]. 특히, 운동은 심혈관 질환, 당뇨병, 비만, 우울증 등 여러 만성 질환의 위험을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다[3]. 정기적인 신체 활동은 면역 기능을 강화하고 염증 반응을 조절하여 전반적인 건강 상태를 개선하는데 기여한다. 그러나 이러한 이점이 발생하는 분자적 기전에 대해서는 아직 충분히 이해되지 않고 있다. 신체 활동이 인체 내부에서 어떻게 작용하여 이러한 긍정적인 변화를 유도하는지에 대한 심층적인 이해는 보다 효과적인 운동 처방과 건강 관리 전략을 개발하는 데 필수적이다.
2016년 말, 미국국립보건원(National Institutes of Health)은 운동이 건강한 조직과 장기 시스템을 유지하는데 어떻게 도움이 되는지에 대한 세부적인 사항을 모델링하는 광범위한 연구를 지원하기 시작했다. “신체 활동의 분자적 전달자 컨소시엄(Molecular Transducers of Physical Activity Consortium, MoTrPAC)”은 국가 협력 전문가 그룹이 참여하는 대규모 연구 프로젝트로, 신체 활동이 인체에 미치는 영향을 분자적 수준에서 규명하는 것을 목표로 한다. MoTrPAC은 여러 연구 기관과 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 수행되고 있으며 유전자, 단백질, 대사물질 등의 오믹스 데이터를 통합 분석하여 신체 활동의 생물학적 기전을 밝히고자 한다[4]. 이를 통해 신체 활동의 건강 증진 효과를 과학적으로 입증하고, 운동을 통한 질병 예방 및 치료의 기초 자료를 제공하고 있다(Fig. 1).
Fig. 1.
Fig. 1.
General overview of MoTrPAC. Preclinical Animal Study Sites (PASS) (rats) and Human Clinical Exercise Sites will collect biospecimen samples after acute and chronic exercise. The data will be available to the scientific community via the MoTrPAC Data Hub: https://motrpac-data.org (Sanford et al., 2020).
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MoTrPAC의 주요 연구 분야는 다음과 같다. 첫째, 신체 활동이 유전자 발현, 단백질 합성, 대사 경로 등에 미치는 구체적인 영향은 무엇인가? 둘째, 이러한 생물학적 변화가 개인의 특성에 따라 어떻게 다르게 나타나는가? 셋째, 신체 활동의 생물학적 기전을 규명함으로써 운동 처방의 효과를 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가? 이러한 문제들에 답하고 해결하기 위해 MoTrPAC은 다기관, 다학제적 접근을 통해 광범위한 데이터를 수집하고 분석하며, 이를 기반으로 신체 활동의 분자적 전달자들을 식별하고 이해하는 것을 목표로 한다[5]. 이러한 연구는 운동과학 분야에서의 새로운 패러다임을 제시하며, 개인 맞춤형 운동 처방의 가능성을 열어줄 것이다.
MoTrPAC의 연구 설계는 다양한 신체 활동 수준과 형태를 포함하도록 구성되어 있다. 연구 참가자들은 저항 운동, 유산소 운동, 혼합 운동 등 여러 형태의 운동 프로그램에 참여하며, 각 운동 유형이 분자적 수준에서 인체에 미치는 영향을 분석한다[4]. 또한, 연구는 건강한 성인뿐만 아니라 다양한 연령대와 건강 상태를 가진 사람들을 대상으로 하여, 운동의 효과가 어떻게 다르게 나타나는지를 포괄적으로 조사한다. 이를 통해 운동의 생물학적 기전을 더욱 정교하게 이해하고, 다양한 인구 집단에 맞춤형 운동 처방을 제안할 수 있는 기초 자료를 확보하고자 한다.
MoTrPAC의 기대되는 과학적 기여는 신체 활동이 유도하는 분자적 변화를 체계적으로 분석함으로써, 운동이 건강에 미치는 긍정적인 영향을 보다 명확하게 규명하는 것이다. 이러한 연구 결과는 운동과 관련된 기존 지식을 확장하고, 새로운 치료법과 예방 전략을 개발하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 특정 유전적 또는 대사적 프로파일을 가진 개인에게 최적화된 운동 프로그램을 제시함으로써, 운동의 효과를 극대화하고 개인화된 건강 관리 방안을 제공할 수 있을 것이다. MoTrPAC은 이러한 목표를 달성하기 위해 포괄적이고 통합적인 연구를 통해서 신체 활동의 분자적 메커니즘을 더욱 깊이 이해하고, 이를 바탕으로 한 혁신적인 건강 관리 방법을 개발하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

연구 방법

본 논문의 자료 수집은 대표적인 학술 검색 시스템인 “ PubMed”, “ Web of Science”, “ Google Scholar”와 같은 온라인 데이터 베이스를 활용하여 수행되었으며, MoTrPAC과 관련된 논문들을 수집하고 분석하였다. 검색 과정에서는 “ MoTrPAC and Exercise”, “ MoTrPAC and Metabolism”, “ MoTrPAC and Molecular pathway”, “ MoTrPAC and Omics”, “ MoTrPAC and Transcript”, “ MoTrPAC and Proteomics”, “ MoTrPAC and Mechanism”, “ MoTrPAC and Health” 등의 키워드를 설정하여 문헌 조사를 실시하였다. 본 종설에서는 신체 활동과 운동에 의해 유도되는 조직들의 생물학적 변화를 다루었으며, 특히 유전자 발현, 단백질 합성, 대사 경로 등과 같은 생물학적 기전과 개인의 특성과의 관련성을 규명함으로써 운동 처방의 효과 연구를 포함하였다.

연구 결과

1. 다양한 운동 형태와 강도에 따른 유전자 발현 변화

MoTrPAC 연구는 다양한 운동 형태와 강도가 유전자 발현에 미치는 영향을 심층적으로 분석하여 중요한 결과를 도축하였다. 연구에 따르면, 저항 운동과 유산소 운동 모두에서 특정 유전자 그룹의 발현 변화가 관찰되었으며, 이로 인해 운동의 분자적 메커니즘을 이해하는데 중요한 단서를 제공하였다[6]. 규칙적인 운동은 건강 증진과 질병 예방에 효과적이지만, 그 분자적 기전은 아직 완전히 규명되지 않았다. 이를 연구하기 위해 MoTrPAC 연구진은 8주간의 지구력 운동 훈련 동안 쥐의 19개 조직에서 광범위한 분자적 변화를 분석하여 면역, 대사, 스트레스 반응 및 미토콘드리아 경로의 조절을 포함한 주요 적응 반응을 보고했다[7]. 이 연구는 운동의 다중 조직 분자적 효과를 이해하는 데 중요한 자원을 제공하며, 해당 데이터는 공개된 저장소에 제공된다(Fig. 2).
Fig. 2.
Fig. 2.
Summary of the study design and multi-omics dataset. (A) Experimental design and tissue sample processing. (B) Summary of molecular datasets included in study. (C) Number of training-regulated features at 5% false discovery rate (MoTrPACSG et al., 2024).
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유산소 운동 후에는 에너지 대사와 관련된 유전자들이 활성화되었으며, 이 과정에서 산화적 인산화, 미토콘드리아 기능, 지방산 산화 등 에너지 생산과 관련된 경로가 주로 활성활되었다. 반면, 저항 운동에서는 근육 성장과 관련된 유전자들이 현저하게 발현되었으며, 이는 근섬유 크기 증가, 단백질 합성 및 세포 성장과 같은 경로에서 나타났다. 특히, Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) 경로와 같은 단백질 합성 경로가 저항 운동 후 활성화되었으며, 이는 근육 단백질 합성과 밀접한 관련이 있다. 이러한 유전자 발현 변화는 운동의 종류와 강도에 따라 다르게 나타나며, 유산소 운동은 주로 지구력 향상과 관련된 대사 경로를, 저항 운동은 근력 및 근육량 증가와 관련된 경로를 활성화시킨다. 이는 서로 다른 운동 형태가 면역, 대사, 스트레스 반응 및 미토콘드리아 경로에 다양한 생물학적 경로를 통해 영향을 미치며, 대사계, 근골격계, 신경계, 심혈관계 질환과 건강 등 여러 건강 문제에 중요한 시사점을 제공한다.
또한, MoTrPAC 연구는 또한 다양한 운동 형태와 강도가 성별에 따라 어떻게 다르게 영향을 미치는지도 조사하였다[8]. 남성과 여성 모두에서 유전자 발현 변화가 관찰되었지만, 특정 유전자군은 성별에 따라 다르게 발현되었다[9]. 예를 들어, 여성의 경우 유산소 운동 후 지방 대사와 관련된 유전자 발현이 더 현저하게 증가하는 반면, 남성은 근육 성장과 관련된 유전자 발현 변화가 더 크게 나타났다. 고강도 유산소 운동은 미토콘드리아 생합성과 관련된 유전자들의 발현을 크게 증가시켜 에너지 효율성과 지구력을 높이는 데 기여한다. 반면, 저강도 운동은 상대적으로 적은 유전자 발현 변화를 유도하지만, 지속적인 운동을 통해 유사한 적응을 유도할 수 있다.
이러한 연구 결과는 운동 처방의 개인화 가능성을 제시하며, 다양한 운동 형태와 강도를 조합하여 최적의 건강 증진 효과를 달성할 수 있는 근거를 제공한다. 따라서, MoTrPAC 연구는 다양한 운동 형태와 강도에 따른 유전자 발현 변화를 체계적으로 분석함으로써, 운동이 신체에 미치는 분자적 기전을 보다 명확하게 이해하는 데 중요한 기여를 하고 있다.

2. 운동이 대사 경로에 미치는 영향

MoTrPAC 연구는 운동이 신체의 여러 대사 경로에 미치는 영향을 심도 있게 분석하여 중요한 발견을 도출하였다. 연구에 따르면 운동이 지방산 산화, 포도당 대사, 단백질 합성 등 다양한 대사 경로를 활성화시키는 메커니즘을 확인했다[10]. 이러한 연구 결과는 운동이 신체 대사를 어떻게 조절하는지에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 개인의 목표에 맞춘 운동 프로그램 설계에 유용한 정보를 제공한다. 특히, 유산소 운동은 특히 지방산 산화를 촉진하는 것으로 나타났다[11]. 지방산 산화는 지방을 에너지로 전환하는 과정으로, 이는 체지방 감소와 에너지 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. MoTrPAC 연구는 유산소 운동 후 지방산 산화 관련 유전자들의 발현이 증가하는 것을 확인하였다[12]. 이러한 유전자에는 CPT1 (Carnitine Palmitoyltransferase 1)과 같은 지방산 산화 효소를 암호화하는 유전자가 포함된다.
운동은 또한 포도당 대사에 중요한 영향을 미친다. 유산소 운동은 근육 세포에서의 포도당 흡수와 사용을 증가시키며, 이는 혈당 조절에 기여한다. MoTrPAC 연구는 유산소 운동 후 GLUT4 (Glucose Trans-porter Type 4)와 같은 포도당 수송체의 발현이 증가하는 것을 발견했다[13]. 이로 인해 근육 세포는 더 많은 포도당을 흡수하고, 이를 에너지원으로 사용할 수 있다. 반면, 저항 운동은 근육 단백질 합성을 증가시켜 근육량과 근력을 증대시키는 데 중요한 역할을 한다. MoTrPAC 연구는 저항 운동 후 mTOR 경로의 활성화가 증가하는 것을 확인하였다. 이 경로는 단백질 합성과 관련된 주요 경로로, 근섬유의 크기 증가와 근육 재생을 촉진한다. 또한, 연구는 저항 운동 후 MyoD와 같은 근육 성장 유전자들의 발현이 증가하는 것을 발견했다. MoTrPAC 연구는 운동이 대사 경로를 어떻게 통합적으로 조절하는지도 밝혀냈다. 유산소 운동과 저항 운동은 각각 지방산 산화와 단백질 합성을 촉진하지만, 이 두 가지 운동 형태가 함께 수행될 때 상호 보완적인 효과를 나타낼 수 있다. 유산소 운동은 에너지 대사를 최적화하고, 저항 운동은 근육량 증가를 촉진하여 전반적인 대사 건강을 향상시킨다.
MoTrPAC 연구 결과는 개인의 목표에 맞춘 운동 프로그램 설계에 중요한 정보를 제공한다. 체지방 감소를 목표로 하는 사람들은 유산소 운동을 집중적으로 수행할 수 있으며, 근육량 증가를 목표로 하는 사람들은 저항 운동에 중점을 둘 수 있다. 또한, 이러한 대사 경로에 대한 이해는 운동 처방의 개인화를 가능하게 하며, 각 개인의 대사 상태와 목표에 맞춘 맞춤형 운동 프로그램을 개발하는 데 도움을 준다. 운동이 대사 경로에 미치는 영향에 대한 MoTrPAC 연구의 발견은 운동의 생리학적 효과를 심층적으로 이해하는 데 중요한 기여를 한다. 따라서, 지방산 산화, 포도당 대사, 단백질 합성 등 다양한 대사 경로를 활성화시키는 운동의 메커니즘을 밝혀내며, 연구는 운동 처방의 과학적 근거를 제공하고 개인 맞춤형 운동 프로그램 설계를 위한 중요한 기초 자료를 제공한다.

3. 단백질 상호작용 네트워크 재구성과 바이오마커 발견

MoTrPAC 연구는 운동 후 근육 조직에서 단백질 간의 상호작용이 변화하여 새로운 단백질 복합체가 형성되거나 기존의 단백질 네트워크가 재편성됨을 확인하였다[14]. 이러한 연구는 방대한 데이터 수집을 통해 새로운 바이오마커를 발견하는 데 중점을 두었다. 유산소 운동은 미토콘드리아 기능을 향상시키는 단백질 복합체의 형성을 촉진하였다. 연구 결과, 유산소 운동 후 미토콘드리아 내에서 전자전달계 복합체(Complex I, III, IV)의 단백질 간 상호작용이 증가하며, 이들 복합체의 효율적 작동으로 ATP 생성이 향상된다는 것을 확인하였다[15]. 이러한 변화는 Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α)와 같은 유전자의 발현 증가와 관련이 있다. PGC-1α는 미토콘드리아 생성을 촉진하는 주요 조절자로, 유산소 운동에 의해 활성화된다. 저항 운동은 근육 섬유 단백질의 재구성을 유도하였다. 이는 주로 근육 단백질 합성 및 분해 과정에 관련된 단백질 간의 상호작용 변화로 나타났다. 저항 운동 후 mTOR 경로의 활성화와 함께 근육 섬유의 크기를 증가시키는 단백질 복합체가 형성되었다.
MoTrPAC 연구는 다양한 단백질과 대사물질의 수준이 운동 후 어떻게 변화하는지를 통해 운동 효과를 평가할 수 있는 새로운 바이오마커를 발견하였다[16]. 유산소 운동 후 미토콘드리아 기능과 관련된 단백질의 증가가 확인되었으며, 이는 미토콘드리아 효율성의 지표로 활용될 수 있다. 이러한 바이오마커는 운동 후 체내 에너지 대사 상태를 평가하는 데 중요한 역할을 한다. 저항 운동 후에는 근육 단백질 합성과 관련된 단백질의 증가가 확인되었으며, 이는 근육 성장 상태를 평가하는 지표로 사용될 수 있다. 특히, 근육 조직 내 Creatine kinase와 같은 효소의 활동이 증가하여 근육 손상 및 회복 과정을 평가하는 데 유용하다.
이러한 단백질 네트워크의 변화와 바이오마커는 운동이 신체 기능을 향상시키는 분자적 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 미토콘드리아 기능 향상 바이오마커를 통해 유산소 운동의 효과를 모니터링하고, 근육 성장 관련 바이오마커를 통해 저항 운동의 효과를 평가할 수 있다. 이는 개인 맞춤형 운동 처방의 과학적 근거를 마련하는 데 기여할 것이다. 또한, 이러한 바이오마커는 운동과 건강 간의 연관성을 보다 정확하게 이해하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 따라서, 특정 바이오마커의 변화가 심혈관 건강, 대사 증후군, 당뇨병 등의 질병 예방과 어떻게 연결되는지를 연구함으로써 운동이 각 개인의 건강에 미치는 영향을 체계적으로 평가할 수 있다. 이는 공중 보건 정책 수립과 개인화된 건강 관리 전략 개발에 중요한 자료를 제공할 것이다.

결 론

MoTrPAC 연구는 신체 활동이 인체에 미치는 분자적 기전을 심층적으로 이해하는 데 큰 기여를 하고 있다. 본 연구를 통해서 운동이 유전자 발현, 대사 경로, 단백질 네트워크 등에 미치는 다양한 영향이 과학적으로 규명되었으며, 이는 운동이 건강 증진에 미치는 효과를 명확히 입증하는 중요한 근거를 제공한다. 이러한 결과는 운동이 다양한 생물학적 경로를 통해 신체에 긍정적인 변화를 촉진한다는 사실을 명확히 하며, 신체 활동의 중요성을 재확인시킨다. 특히, MoTrPAC 연구는 운동이 신체 대사를 어떻게 조절하는지에 대한 새로운 통찰을 제공함으로써 맞춤형 운동 처방과 개인화된 건강 관리 전략 개발에 중요한 기초 자료를 제시하고 있다.
앞으로의 연구에서는 다양한 인구 집단을 대상으로 연구를 확장하고, 장기적인 운동 효과를 심도 있게 분석할 필요가 있다. 나아가, MoTrPAC 연구에서 밝혀진 바이오마커들을 활용하여 개인의 운동 반응을 예측하고 모니터링할 수 있는 시스템을 개발한다면, 운동 처방의 정확성과 효과성을 크게 향상시킬 수 있을 것이다. 이러한 연구는 운동과학 분야에서 새로운 패러다임을 제시하며, 개인 맞춤형 운동 프로그램을 통해 보다 효과적인 건강 증진과 질병 예방을 실현할 수 있는 길을 열어줄 것이다. 결과적으로, MoTrPAC 연구는 앞으로도 신체 활동의 분자적 메커니즘을 더욱 깊이 이해하고, 이를 바탕으로 한 혁신적인 건강 관리 방법을 개발하는 데 계속해서 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다.

Conflict of Interest

The author declares that there is no conflict of interest.

AUTHOR CONTRIBUTIONS

Conceptualization: M Lee; Data curation: M Lee; Formal analysis: M Lee; Funding acquisition: M Lee; Methodology: M Lee; Project adminis-tration: M Lee; Visualization: M Lee; Writing - original draft: M Lee; Writing - review & editing: M Lee.

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