The Innovation | 系统揭示长期运动延缓机体多器官衰老的机制

导 读

古希腊格言说到“运动是一切生命的源泉”。现代研究表明运动可以促进机体代谢，甚至可能抵抗慢性疾病的发生。但是，运动在系统水平上对全身各组织器官中协同发挥的共性和特性效应还不清楚。运动对于年轻和年老机体是否具有差异效应？运动能否增强机体免疫、延缓衰老？相关的分子机制又是怎样的？这些问题尚不明确。

图1 图文摘要

2023年1月6日，中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组和中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组合作在The Innovation杂志在线发表题为“A single-cell transcriptomic atlas of exercise-induced anti-inflammatory and geroprotective effects across the body”的研究论文。该研究系统绘制了长期有氧运动状态下，年轻和年老小鼠14种组织的单细胞转录图谱，发现了运动抵御多组织感染、延缓系统衰老的协同效应，揭示了运动通过纠正节律调控网络紊乱延缓衰老的新机制，并发展了通过高表达节律因子BMAL1延缓心血管衰老的潜在干预策略。

研究人员利用自主运动系统，构建了长期有氧运动12个月的年轻小鼠和年老小鼠模型（相当于小鼠半生均在运动），多维度评估结果显示，长期有氧运动不但增强了小鼠的认知能力、运动耐力以及平衡性，还明显降低了循环系统的炎症因子水平。研究人员联合应用多种技术，深入地探究了长期有氧运动后全身细胞和分子的变化规律，绘制了在运动影响下大脑、小脑、脊髓、肺、心脏、骨骼肌、肝、肾、小肠、睾丸、脾脏、骨髓、主动脉、外周血共14种组织器官的单细胞转录组图谱，开展了一系列系统水平的基因表达谱及表型分析（图2）。

图2 运动调节机体健康的系统生物学研究

对于跨14种组织200余种细胞类型的高分辨率单细胞基因表达全景图谱的进一步解析表明：不同的年龄状态下，全身各组织细胞类型对于运动诱导的基因表达的改变具有一定的偏好性：（1）自主运动对衰老个体的神经系统具有广谱保护作用，长期运动能显著上调年老个体的大脑、小脑和脊髓中神经元新生基因及认知相关基因的表达水平，可以显著增加大脑皮层的厚度（图3），且提高了运动神经元的数目及投射能力。（2）心肌和骨骼肌也广泛受益于长期运动，表现出对运动效应的较强敏感性。运动可以使骨骼肌变得粗大，并且上调心脏和骨骼肌中的线粒体数目。

图3 自主运动对神经系统具有保护作用并增加大脑皮层厚度

运动在年轻和年老机体中是否具有差异效应呢？研究发现，年轻状态下，主动脉、肾脏、小肠和睾丸对运动的响应最敏感。在年轻机体多组织中，运动抑制了细胞死亡和炎症相关的通路，提高了抵御LPS（细菌脂多糖，一种与败血症相关的细菌细胞壁成分）诱导的急性炎症的能力，增强了免疫系统抗感染的活性。年老状态下，长期有氧运动能逆转衰老过程中凋亡细胞数的增加、炎症水平上调及组织再生能力的减损，改善全身多组织中的血管退行，并对老年机体的血-脑屏障和血-脊髓屏障均具有保护作用。

为了进一步探寻长期有氧运动延缓机体衰老的机制，研究人员通过多种生物信息学分析和一系列实验验证，发现全身多种组织器官中伴随衰老进程出现节律调控网络失稳，而运动则能够逆转以心肌和心脏血管内皮细胞为代表的多种细胞类型中节律核心因子BMAL1的表达降低。基于新型的人类心肌和心脏血管内皮细胞衰老模型，研究人员发现激活BMAL1可以促进心血管细胞稳态的维持，延缓其衰老表型。综上，长期有氧运动深刻影响节律转录因子调控网络，可能通过改善节律紊乱来延缓多器官衰老。

总结和展望

该研究联合应用多种分析技术，首次以跨组织、多维度的形式在单细胞水平系统解析了长期有氧运动引起的年轻和年老小鼠的细胞和分子变化规律，发现运动在多种组织中抵御感染、延缓衰老的共性特征，揭示了运动促进节律基因调控网络稳态的恢复、延缓衰老的机制，阐明了节律核心因子BMAL1在延缓心血管衰老方面的潜在作用。研究成果加深了人们对于运动调控健康机制的理解，为建立感染性疾病的预防策略及衰老干预策略提供了丰富的数据资源，奠定了相关的理论基础，具有潜在的转化医学价值。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00008-5

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Article发表的“A single-cell transcriptomic atlas of exercise-induced anti-inflammatory and geroprotective effects across the body” (投稿: 2022-12-03；接收: 2023-01-02；在线刊出: 2023-01-05)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100380

引用格式：Sun S., Ma S., Cai Y., et al. (2022). A single-cell transcriptomic atlas of exercise-induced anti-inflammatory and geroprotective effects across the body. The Innovation. 4(1),100380.

作者简介

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孙淑慧

中国科学院动物研究所助理研究员

PROFILE

马 帅

中国科学院动物研究所副研究员，北京干细胞与再生医学研究院“致一”研究员。

PROFILE

蔡雨生

中国科学院动物研究所特别研究助理

PROFILE

王 思

首都医科大学宣武医院研究员

PROFILE

任 捷

中国科学院北京基因组研究所研究员

PROFILE

张维绮

中国科学院北京基因组研究所研究员

PROFILE

曲 静

曲静，中国科学院动物研究所研究员

PROFILE

刘光慧

中国科学院动物研究所研究员，中国医学科学院学部委员。

PROFILE

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