丁琛課題組利用多維組學(xué)手段揭示小鼠肝臟晝夜節(jié)律調(diào)控機(jī)制
4月19日，復(fù)旦大學(xué)丁琛課題組，軍事科學(xué)院賀福初課題組與國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）秦鈞課題組合作在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上發(fā)表了題為《小鼠肝臟生理節(jié)律調(diào)控基因組概貌》（The proteomics landscape of Circadian Rhythm in Mouse liver）的研究論文，該研究揭示了轉(zhuǎn)錄因子在小鼠肝臟晝夜節(jié)律中的核心調(diào)控作用，構(gòu)建了以轉(zhuǎn)錄因子為核心的多維度晝夜節(jié)律調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，填補(bǔ)了晝夜節(jié)律研究在蛋白質(zhì)組層面的空白，為了解肝臟晝夜節(jié)律功能轉(zhuǎn)換機(jī)制，節(jié)律相關(guān)疾病的防診治研究提供依據(jù)。
所謂晝夜節(jié)律，是指生物體為了適應(yīng)外界環(huán)境變化而進(jìn)化出的一套適應(yīng)性生理系統(tǒng)。它廣泛影響著生物體的生理狀態(tài)與行為活動。哺乳動物中，前期針對多個組織器官的轉(zhuǎn)錄組的研究也指出，有超過半數(shù)的基因轉(zhuǎn)錄受到晝夜節(jié)律的調(diào)控[1]。晝夜節(jié)律影響著幾乎所有組織器官的生理功能變化，節(jié)律紊亂和眾多疾病的發(fā)生密切相關(guān)。分子機(jī)制上，目前普遍認(rèn)為晝夜節(jié)律的調(diào)控核心是基于轉(zhuǎn)錄因子控制的以轉(zhuǎn)錄-翻譯為基礎(chǔ)的多層次、多維度的復(fù)雜反饋調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)[2]。作為網(wǎng)絡(luò)核心的轉(zhuǎn)錄因子一直以來受到晝夜節(jié)律研究者的廣泛關(guān)注。2017年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎的頒發(fā)給首次克隆到節(jié)律調(diào)控中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的三位科學(xué)家。這也再次印證了轉(zhuǎn)錄因子在節(jié)律研究中的重要性。
晝夜節(jié)律如此普遍的存在而顯得易于研究，實(shí)則不然。由于技術(shù)的局限性，尤其在蛋白水平上對于低豐度轉(zhuǎn)錄因子鑒定及DNA結(jié)合活性定量上存在困難，對于晝夜節(jié)律中節(jié)律性轉(zhuǎn)錄因子的研究多集中在基因組和轉(zhuǎn)錄組水平上。但由于轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、翻譯后修飾等復(fù)雜過程的存在，基因轉(zhuǎn)錄水平與最終蛋白表達(dá)水平有一定差異；僅從基因組水平和轉(zhuǎn)錄水平無法直接地、全面揭示轉(zhuǎn)錄因子節(jié)律性。不僅如此，鑒于晝夜節(jié)律是一個多維度的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如何能全方位、多維度的揭示晝夜節(jié)律對組織器官生理功能的調(diào)控，也是阻礙晝夜節(jié)律研究的瓶頸之一。
研究人員利用前期開發(fā)的catTFRE技術(shù)，結(jié)合多種組學(xué)研究方法，以小鼠肝臟為模型在48小時的周期中共獲得了了包括：轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合活性譜；磷酸化蛋白譜；泛素化蛋白譜；肝臟的全蛋白譜；轉(zhuǎn)錄組；肝臟的核蛋白譜在內(nèi)的六組不同維度的組學(xué)數(shù)據(jù)。通過對多維組學(xué)數(shù)據(jù)的整合，該研究建立了以轉(zhuǎn)錄因子為核心的晝夜節(jié)律調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)現(xiàn)在該網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控之下小鼠肝臟會在晝夜間完成免疫調(diào)控、糖代謝、脂代謝以及細(xì)胞周期調(diào)控在內(nèi)的四大功能轉(zhuǎn)換。
該項(xiàng)研究同時鑒定了一系列的主效節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子（dominant regulatory transcription factors，DR-TFs），并證明DR-TFs通過調(diào)控基因的節(jié)律性轉(zhuǎn)錄和節(jié)律性蛋白表達(dá)，最終達(dá)到驅(qū)動了肝臟生理功能的晝夜轉(zhuǎn)化的作用。
同時，值得一提的是，該工作中研究者發(fā)現(xiàn)小鼠肝臟晝夜間的免疫反應(yīng)存在差異。針對這一現(xiàn)象，研究者以小鼠肝臟巨噬細(xì)胞（Kupffer Cells）為對象在細(xì)胞分辨率水平上對晝夜節(jié)律進(jìn)行了蛋白質(zhì)組研究，發(fā)現(xiàn)相對于肝臟，Kupffer Cells中的免疫反應(yīng)相關(guān)蛋白表現(xiàn)出更加顯著的晝夜節(jié)律性。
該研究不僅以在蛋白組水平上首次對晝夜節(jié)律中的調(diào)控核心-轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了解析，并結(jié)合多維組學(xué)的方法，系統(tǒng)性的描繪了晝夜節(jié)律調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對肝臟生理功能晝夜變化的影響。同時，肝臟和Kupffer Cells在晝夜間的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，體現(xiàn)出蛋白在細(xì)胞水平和組織水平中晝夜節(jié)律的差異，為深入研究解析器官晝夜間的生理功能差異的分子機(jī)制奠定了良好的理論基礎(chǔ)，也為后續(xù)肝臟晝夜生理功能和節(jié)律相關(guān)疾病研究提供理論指導(dǎo)和新的研究靶點(diǎn)。
據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)丁琛研究員、國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）的秦鈞教授和軍事科學(xué)院賀福初院士為本文的共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)博士生王云之，清華大學(xué)博士生宋雷為本文的共同第一作者。
1. Zhang, R., et al., A circadian gene expression atlas in mammals: implications for biology and medicine. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014. 111(45): p. 16219-24.
2. Takahashi, J.S., et al., The genetics of mammalian circadian order and disorder: implications for physiology and disease. Nat Rev Genet, 2008. 9(10): p. 764-75.
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