生命在于运动，尽管运动促进健康的观念已被广泛接受，然而机体的各个组织器官是如何在系统水平协同响应运动带来的有益效应目前还不明确。此外，年轻和年老的机体对运动的敏感性有何异同？运动能否延缓衰老？运动能否增强机体抗感染能力？介导运动效应的机制是什么？这一系列问题均有待回答。

　　2023年1月6日，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）张维绮研究组同中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组合作在Cell 子刊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。该研究结合多维表型分析及单细胞转录组测序技术，系统绘制了机体14种组织器官在长期有氧运动下的单细胞全景图谱。研究发现，长期运动可以明显降低年老个体的泛组织衰老程度，且能增强机体的抗感染能力。在机制层面，核心节律转录因子BMAL1的表达上调介导了运动对衰老过程中心血管的保护作用。

　　在该项研究中，研究人员将年轻小鼠（2月龄，相当于人类18岁）和年老小鼠（16月龄，相当于人类55岁）分别随机分为运动组和对照组，并借助自动化运动装置“引导”年轻和年老动物进行了长达12个月（相当于人类的35年）的自主运动锻炼。通过行为学评估，研究人员发现长期有氧运动不仅增加了小鼠的肌肉耐力，还增强了小鼠的学习及记忆能力。此外，经过运动后，小鼠血液中炎性因子的含量相较对照组小鼠明显降低。为了进一步揭示运动对机体不同器官和细胞类型的影响，研究人员分离获得了各组动物的大脑、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，进行了系统的基因表达谱和组织学分析 (图1)。

　　基于高分辨率的单细胞或单细胞核转录组测序，研究人员系统绘制了运动组和对照组小鼠的泛组织单细胞基因表达全景图谱（14种组织，200余种细胞类型）。结果显示，运动可以诱导全身多种细胞类型基因表达的显著改变，其中以年老小鼠的大脑、小脑和脊髓以及年轻小鼠的主动脉、肾脏、小肠和睾丸对运动的响应最敏感。运动可以上调老年个体的大脑、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。同时，组织学水平的检测发现长期有氧运动显著增加了动物大脑皮层的厚度，且提高了运动神经元的数目及投射能力。以上结果提示运动对衰老个体的神经系统具有广谱保护作用。在年轻个体中，运动可以抑制大多数组织器官中调控细胞死亡和炎症相关的分子通路；长期有氧运动的年轻小鼠可以在多组织中抵抗细菌脂多糖（一种与败血症相关的细菌细胞壁成分）诱导的炎症因子风暴。除此之外，研究者还发现小鼠心肌和骨骼肌中的基因表达改变对运动高度敏感，这与横纹肌组织中线粒体数目随运动上调相一致。这些实验结果表明，长期有氧运动可以重塑机体多种器官组织的结构和功能，提升多种器官的生理功能，增强个体的学习记忆能力。

 　　图1.运动调节机体健康的系统生物学研究

　　研究人员进一步通过系列实验探索了长期有氧运动延缓机体衰老的机制。在细胞水平，运动不仅有效逆转了衰老伴随的细胞凋亡、炎症水平增加及组织再生能力的减损，且延缓了全身多组织中血管退行并保护了老年个体的血-脑屏障和血-脊髓屏障。在分子水平，有氧运动可以系统挽救衰老伴随的节律基因表达紊乱。特别的是，运动能在多种细胞类型（包括心肌细胞和血管内皮细胞）中逆转节律转录因子BMAL1随衰老出现的表达沉默。研究人员进而通过RNA-ISH实验证实了这一发现，并结合人类心肌和血管内皮细胞模型，明确了BMAL1的表达上调介导了运动对衰老过程中心血管的保护作用。上述研究结果表明，长期有氧运动重塑了增龄过程中失调的节律转录因子网络，这可能是运动延缓多器官衰老的核心机制。

　　该研究首次在单细胞水平揭示了年轻和年老个体对运动响应状态的差异，系统解析了运动引起的不同细胞类型的分子变化规律，创新性地揭示了运动预防感染、延缓衰老的系统效应。研究阐明了运动重塑节律基因调控网络，延缓衰老的关键机制，深入解析了节律因子BMAL1在延缓心血管衰老中的潜在靶标性作用。研究结果不仅在系统单细胞水平增强了人们对运动调节机体健康机制的理解，还为预防感染性疾病、发展新型衰老干预策略提供了潜在的分子靶标和策略。

　　该研究由中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）、首都医科大学宣武医院、中国科学院干细胞与再生研究所、北京干细胞与再生医学研究院、Altos Labs实验室等多家机构合作完成。中国科学院动物研究所刘光慧研究员、曲静研究员及中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）张维绮研究员为文章的共同通讯作者。中国科学院动物研究所孙淑慧助理研究员、马帅副研究员、特别研究助理蔡雨生、研究生杨远涵，首都医科大学宣武医院王思研究员和中国科学院北京基因组研究所任捷研究员为文章的并列第一作者。研究获得科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市等项目的资助。

 图2.运动延缓机体多器官衰老的机制示意图

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