Nature Metabolism：肝脏生物钟协调外周组织对摄食反应的节律性
2021年5月，魏茨曼科学研究所的的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“The liver-clock coordinates rhythmicity of peripheral tissues in response to feeding”的研究论文，阐述了不同外周组织生物钟与节律性之间的相互作用。
不同组织中的生物钟在对日间喂食（DF）的反应方面存在很大差异，从倒相到无反应甚至节律性丧失。 对节律基因表达的喂养效应是组织特异性的，不一定与其生物钟的相位一致。 肝脏生物钟强烈地调节DF对其他组织节律的影响，但对它们的生物钟没有重大影响。 肝脏生物钟缺陷小鼠的血液营养稳态，特别是葡萄糖，发生了改变，尤其是对DF的反应。 在哺乳动物中，生物钟几乎存在于身体的每个细胞中，并以细胞自主和自我维持的方式发挥作用。哺乳动物的昼夜节律系统被视为分层的，大脑视交叉上核 (SCN) 中的一个中央生物钟协调外周组织中的数百万个生物钟。为了与地球物理时间保持一致，生物钟通过各种授时因子与环境同步。人们普遍认为食物消耗是外周生物钟的主要计时线索，这种普遍接受的观点依赖于这样的实验，即啮齿动物在几天内只能在光照或黑暗阶段（分别是日间喂食（DF）或夜间喂食（NF））获得食物。在DF上，大脑中央生物钟的相位不受影响，但与NF或自由喂养（AL）动物相比，肝脏和其它一些组织的生物钟相位颠倒。 中央生物钟和外周生物钟的二分法本质上是将外周生物钟视为一个统一的组。事实上，外周组织中的生物钟共享相同的“发条”。然而，鉴于它们的组织特异性作用，可以想象它们的输入和输出信号通路会有所不同。同时，预计不同外周器官的生物钟会相互协调，从而对外部输入做出反应。这引申出了几个关于外周生物节律系统中的关键问题：所有组织中的生物钟对给定的授时因子有相似的反应还是表现出组织特异性？一个组织的生物钟对另一个组织的生物钟有什么影响？与其它组织或系统线索中的生物钟相比，组织节律在多大程度上受其内源性生物钟控制？ 为了探讨肝脏在外周生物钟对摄食的反应中的作用，研究人员首先探究了摄食时间对不同组织生物钟的影响。小鼠被安置在一个12小时的光照-黑暗的环境中，进行DF或AL喂养，小鼠接受DF喂养30天后，在24小时内每隔2小时处死动物，并分析不同组织（即肝脏、白色脂肪组织（WAT）、肺、股四头肌、肾脏和心脏）的不同核心生物钟基因（Arntl、Dbp、Nr1d1、Per1、Per2和Cry1）的表达水平。结果发现，喂食时间以特定于组织的方式影响生物钟节律。虽然某些组织（肝脏、WAT）的生物钟发生强烈相移，但其它组织仅部分相移（肾脏），或没有影响（肺），甚至表现出节律性丧失（股四头肌）。此外，与肺部相比，DF对肝脏生物钟基因时相的显著影响在蛋白质水平上也很明显。 喂食对周围组织的生物钟有不同的影响 白天限制进食以组织特异性方式影响节律转录组 接着，研究人员探究了肝脏生物钟对其它外周生物钟的节律性的影响。使用肝细胞特异性Bmal1基因敲除小鼠（Alb-Cre+，Bmal1loxP/loxP（BLKO）），这些小鼠在肝细胞中缺乏功能性昼夜节律生物钟。在AlbCre对照组和AL-BLKO小鼠中，不同器官中生物钟基因的时相具有可比性，并且在DF上发生了类似的移位。同样地，在两种小鼠品系之间，DF上生物钟节律的振幅降低没有太大差异。研究人员还检测了对生物钟基因表达量（即平均表达水平）的影响，总的来说，并未发现不同条件之间的显著变化。正如预期的那样，BLKO小鼠肝脏中的Arntl水平显著降低。值得注意的是，在DF作用下，股四头肌中几个基因的平均表达水平显著下调，并且在BLKO和AlbCre小鼠之间存在一定程度的差异。这些数据表明，肝脏生物钟既不影响其它外周生物钟的节律性，也不影响它们被喂食授时。 肝脏生物钟不影响其它外周组织的生物钟节律 肝脏生物钟调节WAT和肺节律转录组对DF的反应 肝脏生物钟影响肺和WAT节律转录组的组成 为了深入了解肝脏生物钟与外周组织之间通讯的潜在机制，研究人员检测了BLKO小鼠的肝脏节律性转录组，在BLKO肝脏中观察到负责葡萄糖内稳态的关键基因如糖原合成酶Gys2和葡萄糖转运蛋白Slc2a2（Glut2）的节律丧失。24小时的血糖测量显示，在DF上，BLKO小鼠在禁食期血糖水平显著降低。因此，肝脏中Bmal1的丢失会引起血糖水平的昼夜节律，否则血糖水平相对稳定。因此，肝葡萄糖和糖原代谢的破坏可能在DF的BLKO小鼠观察到的血糖节律中起作用。这种空腹状态的低血糖伴随着额外的相关代谢变化。禁食期结束时，与对照组小鼠相比，DF-BLKO中的酮体累积到更高水平。同时，与AlbCre小鼠相比，BLKO小鼠的呼吸交换率（RER）较低，这表明在禁食期结束时脂质的利用率高于碳水化合物。这些结果表明，DF肝脏生物钟缺陷小鼠的肝葡萄糖代谢受损破坏了血糖稳态，这似乎影响了其它外周组织的节律性。 DF对肝钟缺陷小鼠葡萄糖稳态的影响 最后，研究人员探究了长期的DF对AlbCre和BLKO小鼠的总体影响。首先，研究人员检测了BLKO对血脂成分的影响。甘油三酯在AlbCre小鼠中仅在DF状态下显示出时差（在喂食状态下具有更高的水平），而在BLKO小鼠中，节律性在AL喂养下已经很明显。总胆固醇和低密度脂蛋白（LDL）水平在测试时间点之间没有变化，但与AlbCre小鼠相比，BLKO小鼠的总胆固醇和低密度脂蛋白水平升高。另一方面，高密度脂蛋白（HDL）仅在BLKO小鼠中表现出时间差异，而在AlbCre小鼠中则没有。这些结果表明，BLKO小鼠体内脂质和胆固醇稳态受损，这可能是由于肝脏内在机制以及与其它器官的串扰所致。 此外，与DF喂食的动物相比，AL喂食的AlbCre小鼠体重增加更多。值得注意的是，BLKO小鼠在两种喂养方案之间的体重增加没有差异，并且总体上比AL喂食的AlbCre小鼠体重增加较少。与AlbCre小鼠相比，BLKO小鼠在DF下获得的脂肪更少。研究人员还检查了黑暗期和光照期结束时的每日体重差异。当AL喂食时，AlbCre小鼠没有表现出显著的差异，而BLKO小鼠在光照期结束时表现出较低的体重。在DF下，两种小鼠在光照期结束时表现出更高的体重，这可能是由于食物限制。这些发现表明，肝脏特异性Bmal1缺失影响大量的生理和代谢参数，提示肝脏生物钟在调节这些参数以缓冲营养挑战方面的重要性。 肝脏生物钟对DF的反应影响体重和组成 综上所述，该研究揭示了外周组织节律过程之间的体内相互作用，并强调了肝脏生物钟在协调外周组织对摄食的节律反应中的作用。这些发现可能与各种代谢病理学有关，这些代谢病理学已经显示了器官间通讯的失调。
