Nature Communication：年轻多运动，中年更健康！空军军医大学探明早期定期锻炼增强抗炎免疫的机制

众所周知，运动对免疫健康有短期的积极影响。已有研究表明，儿童和青少年时期的体育活动与成年后的健康结果有持续的联系，但关于早期运动对免疫功能的长期影响，尤其是对后期抵抗感染能力的提升，相关研究较少。

近日，空军军医大学相关研究团队在Nature Communications杂志发表研究^[1]表明，早期定期锻炼对炎症免疫具有长期有益的影响，其中，肝脏哌炔诺酮酸的产生在这一环节中发挥重要作用。

一、研究内容与思路

1、早期运动训练可减轻LPS引起的脓毒症并促进中年小鼠的康复

作者给予小鼠4个月的早期游泳训练+11个月的停训期，之后LPS诱导脓毒症模型来探讨早期运动训练的影响。使用小鼠脓毒症评分（MSS）评估脓毒症的严重程度和临床状态。

结果发现，未锻炼的小鼠（Sed）MSS逐渐增加，体重、体温和血糖也会下降；而早期进行规律运动的小鼠（Exe）在LPS暴露后的脓毒症严重程度较低，恢复更快，表现为更低的MSS、更快恢复正常体重、低体温和低血糖恢复正常较快。此外，Exe小鼠在LPS暴露后6小时血液中的白细胞、淋巴细胞和单核细胞数量显著增加，48h后Exe小鼠的全身炎症和组织炎症损伤也有所减轻，抗炎因子增加，肝脏炎症细胞浸润减少，肝脏脂肪堆积和空泡化减少，肺部炎症细胞浸润和间质水肿减轻。

以上结果表明在小鼠早年阶段（4个月大）进行运动可增强其抗炎免疫能力，且这种持久的免疫调节益处一直延续到中年（15个月大）。

研究思路1：已有研究表明，在儿童早期保持积极的身体活动水平或健康的有氧健身可能会对成年后的健康结果产生持久影响，但这一环节是否跟免疫系统存在联系，有待探讨。

对此，作者构建了脓毒症模型从免疫抗炎角度来探讨早期运动对中年健康的影响。首先发现，小鼠在早期规律运动可以增强抗炎免疫力，抑制LPS触发的细胞因子反应，且这种影响在小鼠中年时期依然发挥作用。

作者认为，这是运动产生的免疫调节作用具有潜在的长期益处，这种益处表现在可以提高晚年时期的抗炎免疫力或降低晚年感染的严重程度。

2、早期运动训练可诱导中年小鼠循环中的哌可酸持续升高

为了阐明生命早期运动引起的代谢变化，作者对4个月和15个月大的Exe和Sed小鼠的血清和肝脏进行了非靶向稳态代谢组学分析。结果发现，Sed小鼠和Exe小鼠的代谢物存在差异，相比于Sed小鼠，Exe小鼠在4个月和15个月时，血清中的哌可酸水平持续升高。

作者在健康的年轻志愿者和训练有素的年轻运动员中测量了单次运动后哌可酸的循环水平，发现在健康的年轻志愿者中，单次运动会引起循环中哌可酸的显著增加，训练有素的年轻运动员血清中的哌可酸水平明显高于不运动的健康人。

这些研究结果表明，运动会引起循环中哌可酸的升高，可见哌可酸在运动引起的人体代谢变化中起着重要作用。

研究思路2：为确定运动产生长期免疫调节作用的原因，作者通过代谢组学分析发现哌可酸会在早期规律运动的小鼠中血清中增加，之后在人体中进行验证，发现无论是急性还是慢性运动都会引起血清哌可酸的升高，表明哌可酸在运动引起的人体代谢变化中起着重要作用。

3、哌可酸能缓解LPS引起的脓毒症并促进小鼠康复

作者在LPS注射前1小时和LPS注射后24小时对小鼠进行哌可酸腹腔注射，发现哌可酸处理的小鼠脓毒症严重程度降低，恢复加速，表现为更快的血糖恢复正常、体重恢复和体温回升。此外，哌可酸显著减少了血清中的TNF水平并增加了IL-1Ra水平，减少了肝脏中的炎症细胞浸润、脂肪积累和空泡化，以及减少了肺部的炎症细胞浸润和间质水肿。这些研究结果表明，哌可酸能改善LPS引发的炎症反应，减轻脓毒症并促进小鼠的康复。

研究思路3：随后，作者开展下一步实验探讨哌可酸的具体作用，发现哌可酸给药可以改善小鼠脓毒症表现，发挥抗炎作用从而促进小鼠的恢复。

4、哌可酸通过抑制mTORC1信号转导减轻LPS诱导的巨噬细胞细胞因子反应

作者从骨髓中分离出巨噬细胞（BMDM），并在不同浓度哌可酸的存在下用LPS处理，发现哌可酸以剂量依赖性方式显著降低了LPS诱导的BMDM中促炎细胞因子的mRNA水平。

随后，作者对BMDM进行了测序，kegg分析发现mTORC1信号通路，实验验证发现哌可酸抑制了暴露于LPS的BMDM中的mTORC1激活，从而发挥抗炎作用。

研究思路4：巨噬细胞在LPS诱导的损伤和先天性免疫反应的发病机制中起着至关重要的作用。对此，作者以巨噬细胞为研究对象，开展了体外实验探讨哌可酸可能涉及的作用机制，测序+实验验证发现哌可酸通过抑制mTORC1信号通路来发挥免疫调节作用。

5、肝脏中的CRYM/酮亚胺还原酶在早期运动对LPS损伤的长期益处中起着至关重要的作用

哌可酸是赖氨酸的代谢产物，主要由肝脏中的CRYM/酮亚胺还原酶催化，研究发现早期运动训练小鼠的肝脏中CRYM mRNA和蛋白表达显著增加，且与哌可酸的产生相关。

对此，作者敲低了CRYM基因以评估CRYM在早期运动训练长期益处中的作用，发现CRYM的肝脏特异性敲低抵消了早期运动训练对LPS诱导的脓毒症的保护效果，表明CRYM在介导早期运动训练的长期免疫调节益处中发挥关键作用。

研究思路5：最后，作者对早期运动小鼠血清中长期含有高水平哌可酸的具体原因展开研究，发现代谢产生哌可酸的CRYM/酮亚胺还原酶在早期运动小鼠的肝脏中持续高表达，进而增加CRYM表达量。

6、生命早期的运动可从表观遗传学角度促进肝脏中CRYM的表达

考虑到DNA甲基化在调控基因表达中的作用已得到公认，为了揭示早期运动诱导肝脏中CRYM持续高表达的机制，作者首先研究了CRYM的DNA甲基化状态，通过ChIP-seq和ChIP分析，发现早期运动训练增加了肝脏中CRYM启动子区域的H3K4me3修饰，这种表观遗传修饰与CRYM表达的增加相关。

进一步确定哪些H3K4甲基转移酶导致了H3K4me3修饰的改变，发现了SETD1A。然后使用siRNA技术敲低SETD1A来评估其对CRYM表达的影响，结果显示SETD1A介导的H3K4me3修饰在CRYM启动子上的变化对于早期运动诱导的CRYM表达上调至关重要。

研究思路6：通过表观遗传学分析发现早期运动增加了肝脏中CRYM基因启动子区域的组蛋白3赖氨酸4三甲基化（H3K4me3），进而增加CRYM表达量，继而影响哌可酸，使得早年运动带来的健康影响可以延续到中年。

二、小结

本研究研究的主题是早年运动对中年健康的影响，对此，作者让小鼠在早年阶段进行规律运动，之后停止运动，以及构建炎症模型（脓毒症），在小鼠中年阶段检测相应疾病症状及指标，发现早年运动有助于中年健康。之后探讨了为什么会产生这种影响，代谢组学发现哌可酸，体内实验+人体实验验证哌可酸的作用，进一步探讨机制以及深入的代谢产物。

综上所述，本文发现了小鼠早期运动对抗炎免疫会产生长期有益的影响，这种影响的产生是由于表观遗传修饰增加了肝脏中CRYM启动子的组蛋白H3K4me3甲基化，从而增加了CRYM的表达，进而导致CRYM酶的代谢产物哌可酸的增加，最终影响巨噬细胞中促炎因子的表达，调节机体的免疫反应。

参考文献：

[1] Zhang, Nini et al. “Early-life exercise induces immunometabolic epigenetic modification enhancing anti-inflammatory immunity in middle-aged male mice.” Nature communications vol. 15,1 3103. 10 Apr. 2024, doi:10.1038/s41467-024-47458-3