Cell子刊：全面揭示运动对衰老过程中干细胞功能和稳态的影响

撰文 | 王聪

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

俗话说，生命在于运动，运动锻炼可以对抗导致各种年龄相关疾病的代谢和免疫变化，还能降低心血管疾病和癌症的发病及死亡风险。越来越多的研究证据表明，运动锻炼对老年动物的干细胞功能、组织稳态和再生能力也有有益影响。

之前的研究显示，跑步会促进成年小鼠大脑的神经发生和学习，还能抵抗衰老过程中海马体神经发生的减少。老年动物的骨骼肌干细胞（MuSC）表现出细胞周期蛋白D1的表达减少和对损伤反应的激活延迟，而运动可增加其细胞周期蛋白D1的表达并促进肌肉再生。跑步还会增加老年小鼠骨髓中常见淋巴样祖细胞的数量，但不影响造血干细胞（HSC）。

然而，很少有研究关注运动对衰老干细胞生态位的影响，研究运动在不同组织类型中引起的分子变化对于理解运动如何增强干细胞功能以改善衰老组织至关重要。

近日，斯坦福大学医学院的研究人员在 Cell Stem Cell 期刊发表了题为：Exercise reprograms the inflammatory landscape of multiple stem cell compartments during mammalian aging 的研究论文。

该研究生成了一个完整的单细胞图谱来研究运动对衰老过程中干细胞功能和组织稳态的影响，为衰老过程中运动对干细胞的影响提供了一个全面的分子层面框架。

衰老会导致干细胞功能障碍，导致组织稳态和再生能力的退化。在小鼠大脑中，衰老与海马体的静止神经干细胞（qNSC）的异质性的增加，以及活化神经干细胞（aNSC）和海马区、侧脑室下区 （SVZ） 的神经母细胞的减少有关。同样，随着年龄的增长，骨骼肌干细胞 （MuSC） 的数量减少，其静止状态和激活后细胞命运选择的异质性增加。

老年小鼠的骨骼肌干细胞（MuSC）更容易发生细胞死亡、衰老和肌源性电位丧失。相反，在老年动物中发现造血干细胞（HSC）的扩增，尽管其数量增加，但衰老的造血干细胞功能减弱。最近的单细胞RNA测序和蛋白质组学研究揭示了老年动物干细胞生态位变化可能影响干细胞功能的潜在机制，包括免疫细胞的浸润和细胞外基质（ECM）组成的变化。这些研究强调了检查干细胞及其生态位变化在扩大我们对干细胞衰老的系统理解中的重要性。

运动有能力使干细胞恢复活力，并促进衰老动物的组织再生。然而，运动引起的细胞和分子变化尚未在广泛的不同类型干细胞中进行系统研究。

在这项研究中，研究团队让年轻小鼠和老年小鼠进行有氧运动（自主跑轮），并生成了肌肉、神经和造血干细胞及其生态位细胞和后代的单细胞转录组图谱，并辅以单个肌纤维的全转录组分析。

具体来说，研究团队系统分析了435628个来自骨骼肌、侧脑室下区（SVZ）、骨髓造血干/祖细胞（HSPC）以及外周血免疫细胞的单细胞RNA测序数据，这些细胞分别来自未跑步的年轻小鼠、自主跑步的年轻小鼠、未跑步的老年小鼠和自主跑步的老年小鼠。从而生成了一个完整的单细胞图谱来研究运动对衰老过程中干细胞功能和组织稳态的影响。

分析结果显示，运动减少了来自所有不同来源的干细胞类型的炎症特征，并恢复了骨骼肌中年轻状态的细胞间通讯，表明了运动对循环和组织驻留免疫细胞的组成和转录组景观有深远的影响。这项研究在转录水平上提供了多种衰老干细胞和生态位细胞对运动的协调反应的全面观点，为衰老过程中运动对干细胞的影响提供了一个全面的分子层面框架。