Nat Comm|嘘!这群小鼠的生物钟正在紊乱

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7月1日,美国莫尔豪斯医学院的研究团队在 Nature Communications 发表 Environmental circadian disruption re-writes liver circadian proteomes 一文,研究了环境昼夜节律紊乱(Environmental Circadian Disruption,ECD)对肝脏昼夜节律蛋白质组的影响。

图1 论文截图

- 提纲挈领 -

研究通过分析小鼠肝脏中的昼夜节律基因表达,揭示了昼夜节律在转录、翻译及功能表达中的复杂调控机制。研究发现,多个基因在转录本、全细胞蛋白和核蛋白水平均显示昼夜节律性,同时强调了转录后和翻译后过程在昼夜节律表达中的关键作用。环境昼夜节律紊乱显著改变了这些节律模式,导致大多数基因和蛋白质的昼夜节律失调,进一步揭示了环境因素对生物体内昼夜节律功能的重塑影响。

 

昼夜节律基因表达对昼夜节律钟的建立和功能起着关键作用。环境昼夜节律紊乱(如倒班工作和时差)对基因表达的具体影响尚不清楚。

在该研究中,研究人员通过改变小鼠的光照周期来实现昼夜节律紊乱(ECD)。具体而言,小鼠被暴露在非标准的光照条件下(与其正常的昼夜光暗周期不同),从而扰乱其内在生物钟,研究人员进而可研究昼夜节律紊乱对基因表达和蛋白质节律性的影响。


结果1:
昼夜节律基因表达图谱

研究人员利用定量质谱法和 RNA-seq 分析方法,在昼夜节律周期的8个时间点对小鼠肝脏中的核蛋白(nuclear proteins)、全细胞蛋白(whole-cell proteins)和转录本(transcripts )的丰度进行了量化。

结果表明,21061个转录物时间序列中有5502个(26%)表现出节律模式,全细胞蛋白中有285个(3.9%)具有节律,而核蛋白中有678个(9.3%)表现出节律。

然而,只有22个基因在所有三个水平(转录本、全细胞蛋白、核蛋白)上都表现出节律性。这些数据表明,昼夜节律中转录和蛋白质表达之间存在复杂的关系。

 

结果2:
转录本和蛋白质的差异性节律

研究发现,尽管转录本的节律性通常用于推测昼夜节律的生物功能,但大多数节律性转录本并没有对应的节律性蛋白质。

相反,很多节律性蛋白质并不直接来源于节律性转录本。具体而言,不到5%的节律性转录本具有节律性全细胞蛋白质,而48%的节律性全细胞蛋白质具有节律性转录本。

研究还表明,转录后过程对全细胞蛋白质的昼夜节律起到了与转录过程同样重要的作用。这些结果突出了直接研究蛋白质水平而不是仅从转录本水平推断功能的重要性。


结果3:
翻译后过程支撑昼夜节律的核蛋白质组

研究发现,94%的核节律性蛋白(nuclear rhythmic proteins)在全细胞水平上并不表现出节律性,这些蛋白质的节律性在翻译后获得。

另外,仅有14%的全细胞节律性蛋白质可以归因于核区室中的节律性(其余86%则必须归因于其他区室中的节律性)。这些结果表明核昼夜节律蛋白质组是在翻译后形成的,并表明存在区室特异性昼夜节律蛋白质组。

 

结果4:
ECD重写昼夜节律转录组

通过对ECD后小鼠肝脏的昼夜节律RNA-seq分析,发现21,061个转录本中有3445个(16%)表现出昼夜节律性。

在这些节律性转录本中,1061个在响应ECD时获得节律性,而3118个STD节律性转录本在响应ECD时失去节律性。这表明,ECD对昼夜节律转录组有显著影响。


结果5:
ECD重写全细胞和核蛋白质组的昼夜节律

研究人员探索了ECD对小鼠肝脏中全细胞和细胞核蛋白质组的影响。结果显示,ECD条件下有5317个蛋白质被定量,且蛋白质节律性显著增加。全细胞水平上,909个(17%)蛋白质表现出节律性;在核区室中,359个(7%)蛋白质表现出节律性。

研究表明,ECD重写了蛋白质节律性。ECD 后蛋白质节律性的增加可能反映了生物系统在昼夜节律紊乱下丧失了恢复能力。

图2 ECD重写全细胞和核蛋白质组的昼夜节律

 

结果6:
转录后和翻译后过程是ECD后昼夜节律蛋白质组的主要贡献者

ECD之后,后转录和后翻译过程是主要影响蛋白质节律性的因素。研究发现,在ECD条件下,73%的全细胞节律性蛋白质没有对应的节律性转录本,这一比例显著高于标准光照条件(STD)下的52%。在核蛋白质节律性亚群中,86%的蛋白质在全细胞水平上并不表现出节律性,这表明这些蛋白质的节律性主要通过后翻译过程获得。

进一步分析显示,ECD条件下,蛋白质节律性更多地受到后转录过程的影响,而在STD条件下,转录过程对蛋白质节律性的贡献更大。这些结果表明,ECD显著改变了基因表达过程中的节律性调控机制。


结果7:
PINE过程与核昼夜节律蛋白质组相关

研究人员发现,含有核定位序列(NLS)或核输出序列(NES)的核节律性蛋白在PINE(nuclear protein import and export)过程中表现出较强的功能网络互动。

也就是说,在标准光照(STD)和昼夜节律紊乱(ECD)条件下,核昼夜节律蛋白组与PNIE过程有强关联。这种关联强调了核运输过程在调节核昼夜节律蛋白质组中的作用。


结果8:
ECD重写昼夜节律分子功能

研究发现,ECD影响了几个关键的生物过程,增强了免疫反应和信号通路等功能,同时削弱了与昼夜节律功能有关的其他功能。在ECD条件下观察到的节律性增强表明了对环境干扰的系统反应,解释了ECD相关的代谢紊乱,可能表明生物复原力受到损害。


总 结

总的来说,该研究系统地分析了环境昼夜节律紊乱对肝脏昼夜节律基因表达的影响,发现这种紊乱会重写基因表达系统,并且在一周的恢复期后仍未在分子水平上恢复正常。

研究还揭示了翻译后处理在昼夜节律基因表达和功能中的关键作用,为进一步解析环境昼夜节律紊乱的分子机制提供了方向。

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