Cell | 中科院动物所刘光慧等团队：多组学图谱揭示运动抗衰新机制

组学科服何慧敏 2026-05-11 16:04

景杰生物 | 报道

运动对人体健康的益处不言而喻，它能增强心肺功能、提高代谢水平、改善免疫系统功能，并有助于延缓衰老。此前虽有大量研究揭示了运动影响人类健康，如：Cell封面文章：跑步短短10分钟，身体近10000个分子大变样！蛋白组学破解运动有益健康之谜、三文同发！Nature | 蛋白质修饰组学解密运动影响人类健康核心机制等。然而，运动如何在分子层面上重塑人体稳态和免疫功能，延缓衰老进程，尚不完全清楚。同时，不同类型运动（急性运动（AE）和长期规律性运动（LE））对人类生物学表型的具体影响及其潜在分子机制也有待进一步解析。

6月25日，中国科学院动物研究所刘光慧研究员、曲静研究员联合国家生物信息中心张维绮研究员、中国科学院动物研究所宋默识研究员及首都医科大学宣武医院王思研究员团队，在衰老研究领域再次取得重大突破，在国际顶刊Cell杂志上发表题目为“Systematic profiling reveals betaine as an exercise mimetic for geroprotection”研究成果。该研究首次构建了人体响应急性单次运动与长期规律运动的分子-细胞动态图谱，并揭示了运动响应的天然小分子——甜菜碱，通过靶向并抑制天然免疫激酶TBK1活性，减缓炎症并调控多器官衰老进程。上述成果为开发基于运动的抗衰老干预措施提供了新的靶点和理论依据。

该研究通过血浆蛋白质组学、代谢组学、单细胞转录组学等多组学方法，对13名健康男性志愿者在不同类型运动前后的血液和粪便样本进行分析，揭示了急性单次运动和长期规律运动在分子层面、免疫、代谢和微生物稳态等方面的动态变化图谱，并发现甜菜碱可能是运动发挥抗衰老作用的关键分子。为开发基于运动的抗衰老干预措施提供了新的靶点。景杰生物为该研究提供了血浆蛋白组技术支持（产品：Blood+DIA蛋白组）。

图1 本研究模式图

人体响应急性运动与长期运动的分子-细胞动态图谱的构建

研究招募了13名健康年轻男性，将实验分为三个阶段： 45天基线期对照组（BL，限制运动）、急性运动期（AE，单次5公里跑）和长期运动期（LE，隔天间歇性跑过渡为连续每日5公里跑）。

研究者在运动前后分别采集了志愿者的血液、粪便样本，并进行了详细的生理指标检测和多组学分析，包括单细胞转录组学、转录组学、血浆蛋白质组学、血浆代谢组学、肠道微生物组学和代谢组学。构建了首张人体响应急性单次运动与长期规律运动的分子-细胞动态图谱。

图2 本研究方案设计及急性运动和长期运动影响的多组学分析

多组学分析揭示不同运动类型的差异化分子效应

研究发现，急性运动（AE）能显著改变NK细胞和CD8⁺ T淋巴细胞等外周血细胞（PBCs）比例以及上调运动响应基因的表达。血浆蛋白质组学、代谢组学结果表明其可诱导已糖激酶1（HK1）、转酮醇酶（TKT）等代谢酶含量上升及糖酵解、脂肪分解和脂肪酸氧化激活，提示AE主要通过动员免疫细胞和激活代谢途径来应对短期的生理挑战。

长期运动（LE）则对人类外周血细胞（PBCs）和血浆代谢产物的影响更为显著和持久。具体表现为淋巴细胞增加，髓系细胞减少；上调CORO1A和CD74等基因，增强免疫细胞迁移能力，降低细胞衰老相关基因表达；此外，还可以增加异染色质标记H3K9me3和抗氧化基因表达。机制上，ETS1（一种核糖体生物发生的核心转录因子）是LE诱导的T细胞活化、调节衰老和分化的关键分子开关。

图3 血浆蛋白质组等多组学揭示AE触发的多层次细胞和分子改变

长期规律运动引发的分子适应和肠道微生物稳态重塑

长期运动血浆代谢变化较急性运动更温和，表现为皮质酮稳定、肌醇升高，氧化糖酵解及TCA循环代谢物增加，长链脂肪酸肉碱结合物增多而游离脂肪酸减少，同时激活蛋氨酸代谢，使甜菜碱等甲基供体增加。此外，其上调SOD1等抗氧化蛋白，下调补体等促炎蛋白。

宏基因组结果显示，长期运动可降低扭矩瘤胃球菌（Ruminococcus torques）等致病菌丰度，维持菌群多样性，降低脂多糖合成，提示其通过重塑菌群结构、减少病原体负荷及促进脂肪酸消耗。

图4 多组学揭示LE 相关分子网络变化

甜菜碱作为长期运动的适应性效应物，发挥抗炎和抗衰老作用

利用小鼠运动模型，研究发现长期运动可显著上调肾脏甜菜碱水平。甜菜碱的合成依赖线粒体胆碱的两步氧化代谢，胆碱脱氢酶（CHDH）作为关键限速酶，在运动小鼠肾脏中诱导表达，可能是内源性甜菜碱生成的关键调控节点。

机制上，在脂多糖刺激的人肾皮质上皮细胞、巨噬细胞等细胞中，甜菜碱可直接结合TBK1，抑制TBK1自磷酸化及下游IRF3、NF-κB信号，减少TNF-α、IL-6等炎症因子分泌及活性氧生成。同时研究者在小鼠模型和细胞衰老模型中证实其作为内源性TBK1抑制剂的抗炎作用。

此外，老年小鼠补充甜菜碱后，可显著改善肾脏功能、代谢能力、肌肉耐力及认知功能，减少多组织衰老特征（如衰老细胞、脂质沉积等），表明其具有抗衰老的作用。

图5 甜菜碱给药延缓小鼠衰老

综上所述，本研究通过血浆蛋白组、代谢组学、单细胞转录组学等多组学研究策略，首次系统解析了运动诱导的多组学变化，揭示了不同运动类型对人类健康的分子机制。重要的是，该研究鉴定甜菜碱为发挥抗衰老作用的关键分子，并首次阐明了其通过甜菜碱-TBK1轴这一整合代谢、免疫与表观遗传调控网络的新型抗衰老机制。为衰老干预提供了重要实验依据和理论支持。

景杰评述

本研究是刘光慧等团队时隔2周后，再次发表在国际顶刊上的又一力作，也是衰老研究领域的又一项重大突破。本研究采用了系统性的多组学分析方法，包括血浆蛋白质组学、代谢组学等，全面揭示了运动对人类健康的分子机制。这种多维度的研究策略不仅捕捉到了急性运动和长期运动在不同时间尺度上的生理变化，还从单细胞转录本、蛋白质到代谢物，相互印证，勾勒出运动响应的复杂网络，深入解析了这些变化背后的分子基础。这样全套、系统的研究思路值得我们参考借鉴。

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