The young circulatory milieu capable of delaying aging in individual tissues is of interest as rejuvenation strategies, but how it achieves cellular- and systemic-level effects has remained unclear. Here, we constructed a single-cell transcriptomic atlas across aged tissues/organs and their rejuvenation in heterochronic parabiosis (HP), a classical model to study systemic aging. In general, HP rejuvenated adult stem cells and their niches across tissues. In particular, we identified hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) as one of the most responsive cell types to young blood exposure, from which a continuum of cell state changes across the hematopoietic and immune system emanated, through the restoration of a youthful transcriptional regulatory program and cytokine-mediated cell-cell communications in HSPCs. Moreover, the reintroduction of the identified rejuvenating factors alleviated age-associated lymphopoiesis decline. Overall, we provide comprehensive frameworks to explore aging and rejuvenating trajectories at single-cell resolution and revealed cellular and molecular programs that instruct systemic revitalization by blood-borne factors.

•An atlas of age-, tissue-, and cell-type-specific benefits of long-term exercise.•Exercise protects tissues from infectious injury, especially in younger ones.•Exercise promotes rejuvenation in aged tissues, especially in the nervous system.•Exercise exerts geroprotective effects, especially by resetting circadian programs via the circadian clock protein BMAL1. Exercise benefits the whole organism, yet, how tissues across the body orchestrally respond to exercise remains enigmatic. Here, in young and old mice, with or without exercise, and exposed to infectious injury, we characterized the phenotypic and molecular adaptations to a 12-month exercise across 14 tissues/organs at single-cell resolution. Overall, exercise protects tissues from infectious injury, although more effectively in young animals, and benefits aged individuals in terms of inflammaging suppression and tissue rejuvenation, with structural improvement in the central nervous system and systemic vasculature being the most prominent. In vascular endothelial cells, we found that readjusting the rhythmic machinery via the core circadian clock protein BMAL1 delayed senescence and facilitated recovery from infectious damage, recapitulating the beneficial effects of exercise. Our study underscores the effect of exercise in reconstituting the youthful circadian clock network and provides a foundation for further investigating the interplay between exercise, aging, and immune challenges across the whole organism. Exercise benefits the whole organism, yet, how tissues across the body orchestrally respond to exercise remains enigmatic. Here, in young and old mice, with or without exercise, and exposed to infectious injury, we characterized the phenotypic and molecular adaptations to a 12-month exercise across 14 tissues/organs at single-cell resolution. Overall, exercise protects tissues from infectious injury, although more effectively in young animals, and benefits aged individuals in terms of inflammaging suppression and tissue rejuvenation, with structural improvement in the central nervous system and systemic vasculature being the most prominent. In vascular endothelial cells, we found that readjusting the rhythmic machinery via the core circadian clock protein BMAL1 delayed senescence and facilitated recovery from infectious damage, recapitulating the beneficial effects of exercise. Our study underscores the effect of exercise in reconstituting the youthful circadian clock network and provides a foundation for further investigating the interplay between exercise, aging, and immune challenges across the whole organism.