Trends in Cell Biology：李旻典/税光厚/张志辉共同撰文综述生物钟同步化相关研究进展
2021年9月，陆军军医大学西南医院、中科院遗传发育所的相关研究人员在《Trends in Cell Biology》（IF: 20.8）上发表了题为“Time to eat reveals the hierarchy of peripheral clocks”的综述文章，总结了生物钟同步的最新研究进展，提出“外周组织器官的生物钟系统存在层级结构”，并强调了组织特异性调节和细胞间信号在生物钟同步中的重要作用。
生物钟是一种内部计时系统，可协调细胞结构和功能的日常节律。几乎所有细胞都有一组相似的分子生物钟组件，但体内数万亿个细胞在高峰时段（阶段）可能会有很大差异。细胞生物钟的同步对于组织稳态和代谢健康至关重要。时差或调整夏令时的经历清楚地说明了生物钟同步的重要性。
哺乳动物细胞中的生物钟包含三个紧密连接的转录-翻译反馈回路。转录因子BMAL1和CLOCK（或NPAS2）异二聚化，激活Period（Per1/2）和Cryptochrome（Cry1/2）基因的表达；PER和CRY然后转移到细胞核中以关闭它们自己的表达。BMAL1/CLOCK还激活Rev-erb和D位点结合蛋白（Dbp）的表达。核受体Rev-Erb和ROR竞争控制Bmal1和Nfil3基因的表达。DBP和NFIL3构成另一个稳定反馈回路，并微调Per1/2和Ror转录本的昼夜节律。这些生物钟转录因子通过与靶基因启动子区域中的E-box、RORE和D-box元件结合来驱动昼夜节律。
哺乳动物细胞中的生物钟包含三个紧密连接的转录-翻译反馈回路
几乎所有身体组织中的生物钟都通过网络连接起来。下丘脑的视交叉上核 (SCN) 是主生物钟，它接收来自光的时间信号。作为回应，它通过神经、体液和行为途径同步从属生物钟，例如SCN外神经元和组织中的外周生物钟。典型的外周生物钟包括肝脏、脂肪组织、肺、肾、心脏和股四头肌中的生物钟。神经通路包括下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴和交感神经张力。光和食物是主要的环境时间因子，每天都会重置生物钟，这一过程称为授时。进食时间可以在同步外周生物钟时覆盖光的时间表；例如，日间限制性喂养或倒置喂养可在7天内完全逆转肝脏中生物钟基因的节律，而不管明暗周期如何。虽然参与光授时的光感受器和神经通路已经很好地建立，但对于外周组织而言，与食物授时有关的信号、受体和通路尚未明确定义。甚至不知道是否所有外周生物钟都被进食节律授时。
生物钟的同步路径
多组学的最新进展表明，外周生物钟、转录组和代谢组都以高度组织特异性的方式适应进食节律。肝脏和脂肪组织可以调整它们的生物钟和转录组以适应进食节律，而包括心脏在内的其它组织可以抵抗进食带来的授时。虽然肝脏生物钟可以通过组织自主机制重置，但脂肪生物钟依赖于来自其它器官的外部信号。从机制上讲，来自SCN生物钟的信号以及在较小程度上来自肝脏生物钟的信号决定了外周组织中的不同授时反应。因此，细胞和组织中的外周生物钟是组织分层的，并具有组织特异性的食物授时机制。作者分别阐述了肝细胞、脂肪细胞和心肌细胞的生物钟多组学适应代谢节律的特征。
肝细胞
进食节律通过营养感应途径重置肝脏生物钟的相位。葡萄糖和胰岛素的每日循环导致细胞氧化还原传感器（如NAD+ 依赖性PARP1和SIRT1）和代谢传感器（如AMPK、OGT和mTORC1）周期性激活。PARP1 通过聚ADP核糖基化修饰CLOCK，并通过喂食促进肝细胞生物钟的相位授时。喂养相关的胰岛素/IGF-1 通过mTORC1控制的PER合成授时外周生物钟。相比之下，恒定光会使SCN生物钟不同步，但不会改变肝脏生物钟的食物授时。
肝脏生物钟整合了进食和禁食相关信号，以驱动肝脏中的转录节律。在 Bmal1基因敲除小鼠中重建肝脏Bmal1恢复了肝脏生物钟（尽管幅度和相位不完美），但仅恢复了肝脏中10.8%的昼夜节律转录组。心律失常的食物摄入足以消除70%的肝脏昼夜节律转录本的循环。然而，碳水化合物代谢的昼夜节律是由肝脏生物钟驱动的，在倒置喂养下肝脏生物钟的丧失会导致低血糖。这种效应与无生物钟肝脏中糖原合酶Gys2和葡萄糖转运蛋白Glut2的转录节律丧失有关。
除了碳水化合物代谢外，许多分析研究的转录特征表明其它主要代谢过程是由进食引起的。代谢组学分析显示，25种共有的肝脏昼夜节律代谢物（例如瓜氨酸、鸟氨酸和S-腺苷高半胱氨酸）不会被进食节律授时，这表明存在跨组学差异。然而，许多代谢物（例如，亮氨酸、肌苷和尿苷）在倒置喂养下会获得12小时节律。
肝细胞生物钟对于将远处组织中的转录组和肝脏内的非肝细胞中的转录组引入倒置喂养至关重要。Bmal1的肝细胞特异性缺失部分促进了脂肪和肺组织中转录组的相位授时，这与葡萄糖进入血液的节律性输出改变有关。肝细胞中Rev-erbα/β基因的缺失会破坏肝细胞生物钟并损害肝脏内皮细胞和免疫Kupffer细胞中循环基因的节律性。在非肝细胞的细胞中，这些肝细胞生物钟控制的循环基因中约有85%也受到倒置喂养的调节。肝细胞生物钟控制着肝细胞中胆固醇生物合成和葡萄糖输出的昼夜节律。与胆固醇或葡萄糖代谢相关的代谢物的节律分泌可能提供连接外周组织生物钟的时间线索。因此，肝细胞生物钟似乎在外围生物钟的层次结构中占据高位。
脂肪细胞
脂肪细胞生物钟是能量平衡和代谢健康的主要组成部分。然而，在两种性别中倒置进食时都容易失去节律性。在倒置喂养下，只有少数核心生物钟基因在雌性脂肪细胞中保持节律；Per2和Bmal1转录本的相位似乎分别移动了2小时和6小时。在雄性中，倒置喂养在7天内将 Bmal1转录本的相位改变了8-9小时。从机制上讲，来自中央生物钟的调节线索抵消了倒置进食的影响。恒定光破坏 SCN生物钟衍生的时间信号不仅促进脂肪细胞生物钟的食物授时，而且还恢复生物钟振荡的幅度。
有趣的是，昼夜节律转录组几乎完全授时雌性脂肪细胞中的倒置进食，其中 80.46%的昼夜节律基因显示出响应倒置进食的相位反转。这些基因在涉及脂质代谢、囊泡运输和 RNA 加工的通路中富集。特别是，整个胆固醇生物合成途径在转录上是倒相的，这与脂肪组织中的胆固醇节律相关。进食通过餐后血糖和胰岛素升高以及随后去泛素化酶USP20-HMGCR轴的激活诱导胆固醇生物合成。转录和翻译后机制都可能有助于脂肪细胞中胆固醇生物合成的食物授时。因此，脂肪细胞生物钟和脂肪转录组似乎通过来自其它器官的激素和代谢线索间接地被进食节律授时。
心肌细胞
心肌细胞生物钟调节心脏代谢和电生理，导致心脏节律的每日循环。进食节律如何调节心肌细胞生物钟和功能？令人惊讶的是，心肌细胞生物钟和转录组都对食物授时具有抵抗力。没有一个主要生物钟基因的相位变化超过2小时，只有 21.68%的昼夜节律转录本被倒置喂养逆转。恒定的光照有助于将心肌细胞生物钟的食物授时达到完整性，这表明SCN生物钟具有强大的门控效应。肾脏、股四头肌、肺和皮肤中的生物钟表现出与心脏相似的反应，尽管程度不同，并且具有性别二态性。简而言之，脂肪和肝脏以外的组织中的生物钟对食物授时具有抵抗力，这表明外围生物钟按具有层次结构。
与转录组中观察到的有限影响相反，倒置喂养在心脏代谢过程中会覆盖心肌细胞生物钟。心脏代谢组几乎完全被倒置喂养授时，心脏中90.24%的共享昼夜节律代谢物被倒相。这包括参与脂肪酸氧化和线粒体功能的代谢物。分子特征表明，倒置喂养也会在转录上授时脂肪酸氧化。研究人员推测，来自肝脏和脂肪组织的脂肪酸等全身信号可能与核激素受体 PPARα/δ结合，从而带动心肌细胞的能量代谢。如果属实，那么分配血脂的循环因子，包括类血管生成素4，可以微调心脏中的食物授时。
外周组织器官生物钟在视交叉上核 (SCN) 生物钟下存在层级结构
结束语
总之，外周生物钟是根据SCN生物钟下的食物授时组织分层的。高水平的外周生物钟可以缓冲或促进倒置喂养下低水平外周生物钟组织的昼夜节律授时。尽管如此，倒置喂养是研究食物授时的一种手段，但可能不能反映喂养节律的内源性功能。未来的研究应侧重于在覆盖所有器官系统的其它组织中使用多组学工具（例如，单细胞组学、多级蛋白质组学、精准代谢组学）揭示外周生物钟的层次结构。这将有助于识别与食物授时有关的生物钟控制的肝细胞分泌因子，并有助于阐明外周生物钟层次结构的一般和组织特异性决定因素。这些分子基础的阐明将加速具有组织特异性和细胞精度的生物钟调节策略的发展。
