iScience : 通过多组织多组学分析揭示了外周生物钟系统适应营养进食节律能力的显著组织异质性

2021年3月，重庆市西南医院、陆军军医大学、中科院遗传与发育生物学研究所的相关研究人员在《iScience》上发表了题为“A Multi-tissue Multi-omics Analysis Reveals Distinct Kinetics in Entrainment of Diurnal Transcriptomes by Inverted Feeding”的研究论文，从转录组和代谢组层次，揭示了外周组织器官生物钟系统受营养进食节律调节的显著异质性。相关数据可以在CircaMet DB数据库查询（www.circametdb.org.cn）。

亮点概述：

小鼠外周组织食物授时因子的多组学分析
颠倒喂食节律以不同的动力学授时昼夜转录组
组织生物钟的相位动力学是由恒定的光调节的
伴随着心脏时钟缓慢动力学的快速进食授时心脏代谢

研究背景：

新陈代谢、生理和行为的昼夜振荡在生活中是普遍存在的，其作用是使机体与环境周期保持一致，并分离化学上不相容的生化反应。细胞内的新陈代谢和生理节律由光照和食物两个主要环境授时因子的每日循环重置。昼夜主节律钟位于下丘脑的视交叉上核（SCN），并通过进食行为同步周围组织（包括肝脏、肾脏、心脏和脂肪组织）的时钟。颠倒喂食，也称为日间限制喂食（DRF）或非同步喂食，可诱使啮齿动物的肝脏时钟在光/暗周期下完全颠倒振荡。

外围生物钟和摄食节律之间的耦合通过营养感应信号传导。生物钟的分子齿轮主要由转录-翻译反馈环组成，包括转录因子BMAL1、CLOCK和辅加压因子PERIOD（PER）和CRY。时间限制喂养（tRF，也称为夜间限制喂养，NRF）是同步生理和代谢昼夜振荡的有效措施。以往的研究多集中于肝脏生物钟的营养授时机制，提供了营养节律对肝脏生理和代谢授时的突出信息，然而，在周围组织中以颠倒喂食方式进行的昼夜节律代谢和生理学的全系统变化规律尚不清楚。

研究人员应用颠倒喂食方案将外周生物钟与SCN主生物钟分离，并对小鼠外周组织中的转录物和代谢物进行24小时全局分析。将9周龄雌性小鼠在白天（DRF）和夜间（对照组，NRF）限制喂养一周后进行组织采集，包括内脏脂肪组织（VAT）、肝脏、肾脏和心脏。随后对组织进行整体转录组学分析，肝脏、心脏和VAT进一步接受非靶向代谢组学或靶向脂质组学的整合研究。研究人员从全局转录谱中可视化Dbp和Arntl（Bmal1）位点，并确认颠倒喂养逆转了肝脏中Dbp转录本节律，表明建模成功。

小鼠组织的昼夜转录谱分析显示，在时间限制喂养下，转录组具有稳健的昼夜节律。

研究人员接着探究了摄食对组织生物钟的授时作用，并识别了性别、限制喂食时间和持续光照对各外周生物钟的营养授时作用。发现细胞自主的昼夜节律时钟以不同的速率适应7天的颠倒喂食中，并且不同的适应速率是光授时信号调制的结果。

为了确定外周组织中昼夜转录组的相位变化规律，研究人员检测了在两种tRF方案下振荡的昼夜基因的相移（以下称为双振荡基因），将4小时（0-4小时）内的相移定义为锁相状态，8-12h之间的相移为倒相状态（8-12h）。结果表明，新陈代谢组织（如VAT和肝脏）中的昼夜转录组很容易适应颠倒喂食中。脂肪昼夜转录组较肝脏的更容易受营养节律授时。昼夜节律时钟的转录因子（TFs）丰富了VAT的锁相基因和肝脏的倒相基因。此外，肾脏和心脏的昼夜转录组在颠倒喂食的过程中表现出缓慢的动力学和/或抗性。与肾脏相比，心脏昼夜转录组表现出更低的相位适应能力。这些组织中的锁相基因丰富了昼夜节律TFs的特征。

颠倒喂养逆转了VAT和肝脏中的昼夜转录组

肾脏和心脏的昼夜转录组在摄食阶段呈现缓慢的动力学/阻力

为了与在代谢组织的昼夜转录组中的发现相匹配，研究人员分别使用靶向脂质组学和非靶向代谢组学分析VAT中昼夜脂质组和肝脏昼夜代谢组的营养授时情况。综合分析表明，胆固醇的节律很容易进入颠倒喂食中，并且DAG水平在VAT中的DRF下以12小时的方式被诱导振荡。此外，肝脏的某些代谢途径的昼夜节律不受快速喂食周期的约束。颠倒喂食允许与肝脏中氨基酸和核苷酸有关的代谢物在12小时内振荡。