中枢时钟通过调控进食节律主导肌肉干细胞代谢振荡与再生功能

本刊推荐：为阐明中枢时钟对组织特异性干细胞功能的系统调控机制，研究团队通过构建脑部与卫星细胞(SCs)特异性Bmal1基因重建模型，结合多组学技术与肌肉再生实验，发现中枢时钟驱动的进食-禁食节律可独立于局部时钟调控SCs脂代谢基因振荡，并揭示自噬功能是代谢转录振荡的必要条件。该研究发表于《Cell Reports》，为理解生物钟跨层级调控干细胞功能提供了重要范式。

　　

在生命体演化过程中，生物钟系统形成了精密的多层级调控网络，使机体能够预测并适应地球自转带来的昼夜环境变化。哺乳动物的中枢时钟位于下丘脑视交叉上核(SCN)，通过接收视网膜传递的光信号协调外周组织时钟的同步运行。然而，组织驻留干细胞如何接收并整合中枢与外周时钟信号，特别是处于静息状态的成体干细胞如何维持昼夜节律，仍是领域内亟待解决的重要问题。

骨骼肌卫星细胞(satellite cells, SCs)作为肌肉组织特有的成体干细胞，在静息状态下仍保持显著的转录振荡，但其调控机制尚未明确。更引人深思的是，干细胞代谢状态与组织修复能力是否受生物钟层级调控，以及系统性与局部信号如何协同作用，都是具有重要生理意义的前沿课题。

针对这些问题，Valentina Sica等研究者在《Cell Reports》发表了最新研究成果。他们通过构建脑特异性(BRE)、卫星细胞特异性(SCRE)及双位点(B+SC-RE)Bmal1重建小鼠模型，结合低输入RNA测序、代谢组学和功能实验，系统解析了中枢与局部时钟对SCs昼夜节律的调控机制。

研究主要采用以下关键技术方法：1) 通过Pax7CreER和Syt10Cre系统构建组织特异性Bmal1重建小鼠模型；2) 每4小时采集样本进行荧光激活细胞分选(FACS)获取静息SCs；3) 低输入RNA测序技术解析昼夜转录组；4) 干性代谢组学分析稀有细胞代谢物；5) 心脏毒素损伤模型评估肌肉再生能力；6) 通过时间限制性进食(TRF)实验验证进食节律的作用；7) 利用Atg7条件性敲除模型研究自噬功能。

中枢时钟与局部时钟的协同调控

研究发现单独恢复SCs的Bmal1表达(SCRE)仅能挽救少数核心时钟基因(如Clock、Per1、Cry2和Rorc)的振荡，且振幅显著降低。而脑部特异性Bmal1重建(BRE)虽不能完全恢复SCs核心时钟运行，却可驱动大量输出基因的振荡。当同时恢复脑部和SCs的Bmal1表达(B+SC-RE)时，核心时钟基因振荡几乎完全恢复正常，表明中枢与局部时钟信号整合对维持SCs核心时钟正常运行至关重要。

中枢时钟驱动的代谢基因振荡

通过dryR算法对转录组数据进行多条件节律分析，发现WTSCs中87.5%的振荡基因在全身Bmal1敲除(KO)小鼠中失去节律。值得注意的是，脑部Bmal1重建(BRE)可挽救59.6%的基因振荡，且这些基因主要富集于脂代谢通路。这些"中枢驱动"基因的振荡不依赖于局部SCs时钟，在Bmal1^ΔPax7ER小鼠模型中同样得到验证。关键脂代谢基因如Apoe、Ldlr、Cyp51和Fdft1均显示相似的振荡模式。

进食-禁食节律的关键作用

研究人员通过时间限制性进食(TRF)实验证明，进食-禁食节律是中枢时钟调控SCs代谢基因振荡的关键输出。在KO和SCRE小鼠中实施2周的黑暗期TRF干预，可显著恢复脂代谢相关基因的振荡，但不增加整体节律性输出基因数量。这一发现表明进食行为是中枢时钟影响SCs代谢振荡的主要途径。

自噬对代谢振荡的调节作用

研究发现自噬与昼夜节律存在相互调控关系。在Atg7^ΔPax7ER小鼠中，13.3%的振荡基因依赖自噬功能维持节律性，其中包括Apoe、Pdk1等脂代谢基因。自噬缺陷还导致386个基因出现新生振荡，表明自噬具有抑制特定基因节律性表达的门控功能。研究还发现全身Bmal1缺失会导致SCs自噬水平升高，而脑部Bmal1重建可恢复正常自噬水平。

代谢稳态与再生功能验证

通过低输入代谢组学分析，研究发现Bmal1-KO小鼠SCs中氨基酸、核苷和2-氧戊二酸等代谢物水平显著升高，而脑部Bmal1重建可逆转这些变化。虽然技术限制仅检测到少量脂质代谢物，但LPC 16:0和LPC 18:1两种脂质分子明确受中枢时钟调控。功能上，肌肉再生实验显示脑部Bmal1重建(BRE)可挽救Bmal1-KO小鼠的再生缺陷，而单独恢复SCsBmal1则无此效果，证明中枢时钟信号对SCs介导的肌肉修复至关重要。

本研究系统揭示了中枢时钟通过进食-禁食节律主导肌肉干细胞代谢振荡与再生功能的调控机制。研究发现中枢时钟输入可独立于局部时钟驱动SCs脂代谢基因的昼夜振荡，而自噬功能是维持这些代谢转录振荡的必要条件。从生理功能角度，中枢时钟信号对维持SCs代谢稳态和肌肉再生能力具有决定性作用。

该研究的创新性在于首次在体内证明了中枢时钟对成体干细胞功能的系统性调控，突破了传统认为局部细胞自主时钟起主导作用的观念。研究发现即使在没有局部时钟的情况下，中枢时钟仍能通过调控进食行为和代谢状态来维持干细胞功能，这为理解生物钟跨层级调控提供了新视角。

研究的发现具有重要生理和病理意义。一方面，揭示了生物钟通过不同层级调控网络协调干细胞功能的精密机制；另一方面，为理解衰老、代谢疾病等过程中干细胞功能衰退提供了新思路。特别值得注意的是，研究发现自噬功能作为代谢振荡的"门控"机制，为探索生物钟与细胞质量控制的交叉调控提供了新方向。

然而，研究也存在一定局限性：Bmal1的发育期功能与昼夜功能难以完全区分；脑部Bmal1重建可能通过影响免疫细胞等其他细胞类型间接影响肌肉修复；技术层面难以检测所有代谢物变化。未来研究需进一步解析中枢时钟信号的具体分子介质，并探索这些发现是否适用于其他组织的静息干细胞。

总之，这项研究开创性地揭示了中枢时钟通过进食-禁食节律主导肌肉干细胞代谢振荡与再生功能，为生物钟研究领域提供了新的理论框架，也为靶向生物钟干预干细胞衰老和相关疾病提供了潜在策略。