生命在于運動，盡管運動促進健康的觀念已被廣泛接受，然而機體的各個組織器官是如何在系統水平協同響應運動帶來的有益效應目前還不明確。此外，年輕和年老的機體對運動的敏感性有何異同？運動能否延緩衰老？運動能否增強機體抗感染能力？介導運動效應的機制是什么？這一系列問題均有待回答。

　　2023年1月6日，中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）張維綺研究組同中國科學院動物研究所劉光慧課題組、曲靜課題組合作在Cell 子刊The Innovation 雜志在線發表題為“A single-cell transcriptomic atlas of exercise-induced anti-inflammatory and geroprotective effects across the body”的研究論文。該研究結合多維表型分析及單細胞轉錄組測序技術，系統繪制了機體14種組織器官在長期有氧運動下的單細胞全景圖譜。研究發現，長期運動可以明顯降低年老個體的泛組織衰老程度，且能增強機體的抗感染能力。在機制層面，核心節律轉錄因子BMAL1的表達上調介導了運動對衰老過程中心血管的保護作用。

　　在該項研究中，研究人員將年輕小鼠（2月齡，相當于人類18歲）和年老小鼠（16月齡，相當于人類55歲）分別隨機分為運動組和對照組，并借助自動化運動裝置“引導”年輕和年老動物進行了長達12個月（相當于人類的35年）的自主運動鍛煉。通過行為學評估，研究人員發現長期有氧運動不僅增加了小鼠的肌肉耐力，還增強了小鼠的學習及記憶能力。此外，經過運動后，小鼠血液中炎性因子的含量相較對照組小鼠明顯降低。為了進一步揭示運動對機體不同器官和細胞類型的影響，研究人員分離獲得了各組動物的大腦、小腦、脊髓、肺、心臟、骨骼肌、肝、腎、小腸、睪丸、脾臟、骨髓、主動脈、外周血共14種組織器官，進行了系統的基因表達譜和組織學分析 (圖1)。

　　基于高分辨率的單細胞或單細胞核轉錄組測序，研究人員系統繪制了運動組和對照組小鼠的泛組織單細胞基因表達全景圖譜（14種組織，200余種細胞類型）。結果顯示，運動可以誘導全身多種細胞類型基因表達的顯著改變，其中以年老小鼠的大腦、小腦和脊髓以及年輕小鼠的主動脈、腎臟、小腸和睪丸對運動的響應最敏感。運動可以上調老年個體的大腦、小腦和脊髓中神經元新生基因及認知相關基因的表達水平。同時，組織學水平的檢測發現長期有氧運動顯著增加了動物大腦皮層的厚度，且提高了運動神經元的數目及投射能力。以上結果提示運動對衰老個體的神經系統具有廣譜保護作用。在年輕個體中，運動可以抑制大多數組織器官中調控細胞死亡和炎癥相關的分子通路；長期有氧運動的年輕小鼠可以在多組織中抵抗細菌脂多糖（一種與敗血癥相關的細菌細胞壁成分）誘導的炎癥因子風暴。除此之外，研究者還發現小鼠心肌和骨骼肌中的基因表達改變對運動高度敏感，這與橫紋肌組織中線粒體數目隨運動上調相一致。這些實驗結果表明，長期有氧運動可以重塑機體多種器官組織的結構和功能，提升多種器官的生理功能，增強個體的學習記憶能力。

 　　圖1.運動調節機體健康的系統生物學研究

　　研究人員進一步通過系列實驗探索了長期有氧運動延緩機體衰老的機制。在細胞水平，運動不僅有效逆轉了衰老伴隨的細胞凋亡、炎癥水平增加及組織再生能力的減損，且延緩了全身多組織中血管退行并保護了老年個體的血-腦屏障和血-脊髓屏障。在分子水平，有氧運動可以系統挽救衰老伴隨的節律基因表達紊亂。特別的是，運動能在多種細胞類型（包括心肌細胞和血管內皮細胞）中逆轉節律轉錄因子BMAL1隨衰老出現的表達沉默。研究人員進而通過RNA-ISH實驗證實了這一發現，并結合人類心肌和血管內皮細胞模型，明確了BMAL1的表達上調介導了運動對衰老過程中心血管的保護作用。上述研究結果表明，長期有氧運動重塑了增齡過程中失調的節律轉錄因子網絡，這可能是運動延緩多器官衰老的核心機制。

　　該研究首次在單細胞水平揭示了年輕和年老個體對運動響應狀態的差異，系統解析了運動引起的不同細胞類型的分子變化規律，創新性地揭示了運動預防感染、延緩衰老的系統效應。研究闡明了運動重塑節律基因調控網絡，延緩衰老的關鍵機制，深入解析了節律因子BMAL1在延緩心血管衰老中的潛在靶標性作用。研究結果不僅在系統單細胞水平增強了人們對運動調節機體健康機制的理解，還為預防感染性疾病、發展新型衰老干預策略提供了潛在的分子靶標和策略。

　　該研究由中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）、首都醫科大學宣武醫院、中國科學院干細胞與再生研究所、北京干細胞與再生醫學研究院、Altos Labs實驗室等多家機構合作完成。中國科學院動物研究所劉光慧研究員、曲靜研究員及中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）張維綺研究員為文章的共同通訊作者。中國科學院動物研究所孫淑慧助理研究員、馬帥副研究員、特別研究助理蔡雨生、研究生楊遠涵，首都醫科大學宣武醫院王思研究員和中國科學院北京基因組研究所任捷研究員為文章的并列第一作者。研究獲得科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目的資助。

 圖2.運動延緩機體多器官衰老的機制示意圖

　　論文鏈接