膳食宏量营养素摄入与成人外周血时钟基因表达的时间依赖性关联及其代谢表型差异研究

本报告探讨了膳食宏量营养素摄入与成人外周血时钟基因（CLOCK、BMAL1、PER2、CRY）表达的关联，发现其具有时间依赖性和BMI分组差异性。研究通过3天膳食记录和qRT-PCR技术，揭示了脂质和蛋白质摄入与BMAL1、CRY等基因表达的显著相关性，为基于代谢表型的时序营养（Chrononutrition）策略提供了分子机制层面的新见解。

　　

背景

昼夜节律系统通过核心时钟基因的表达调控包括能量代谢在内的多种生理过程。动物研究表明膳食成分可影响 circadian 基因表达，但人类证据仍有限。本研究旨在探索具有不同代谢表型的成人群体中，膳食宏量营养素摄入与外周血时钟基因表达的关联。

方法

研究纳入19名成人（94.7%为女性，年龄43.4±16.05岁），根据BMI分为健康体重组和超重/肥胖组。通过3天膳食日记评估膳食摄入，并在08:00 a.m.至04:00 p.m.期间采集全血样本检测时钟基因（CLOCK、BMAL1、PER2、CRY）表达。统计分析包括组间比较和宏量营养素摄入与基因表达的相关性分析。

结果

BMI组间时钟基因表达未显示统计学显著差异，但组水平趋势明显，尤其在PER2和CRY表达方面。超重/肥胖组的蛋白质供能比显著更高。相关性分析揭示了宏量营养素摄入与时钟基因表达的多个时间依赖性关联：健康BMI组中，BMAL1和CRY表达与脂质和蛋白质摄入相关；超重/肥胖组中，CLOCK表达与脂质和碳水化合物摄入密切相关。此外发现BMAL1下午表达与LDL-C水平负相关（ρ=?0.486），蛋白质摄入百分比与甘油三酯水平正相关（r=0.655）。

讨论

本研究强调了膳食摄入与时钟基因调控间的复杂相互作用。宏量营养素分布（特别是脂质摄入）与全血时钟基因表达的时间依赖性变化相关，表明营养素组成和时机可能共同影响外周时钟调节。昼夜节律紊乱日益被认为与人类代谢紊乱（包括肥胖）相关。不规律的睡眠和饮食模式可能使内源性昼夜节律和代谢过程去同步化，损害代谢通路的时间调控并促进体重增加和代谢失调。这些关联推动了对基于昼夜节律干预措施的兴趣，包括时序营养——一种使进餐时间和组成与生物节律对齐以优化代谢结果的方法。

证据表明昼夜节律时钟的分子组件对食物摄入有反应。然而，宏量营养素组成对人类时钟基因表达的具体影响仍知之甚少。本研究观察到时钟基因表达与脂质（包括SFA和MUFA）、蛋白质和碳水化合物相对摄入间的显著关联。这些关联在上午和下午时间点间变化，表明饮食的时间和宏量营养素谱都可能调节circadian基因的表达。

我们的发现与动物研究证据一致，表明喂养可以重置外周时钟（特别是在肝脏中）。例如，仅碳水化合物和蛋白质的组合（而非单独宏量营养素）能有效重置小鼠肝脏昼夜节律。胰岛素已显示能急性诱导肝细胞中PER1、PER2和DEC1表达，暗示营养敏感激素信号在外周时钟授时中的作用。虽然我们的研究评估了全血而非肝脏中的基因表达，但观察到的关联表明类似机制可能影响人类外周组织。

除蛋白质和碳水化合物摄入外，膳食脂质似乎也在昼夜节律调节中扮演重要角色。脂质代谢和昼夜节律紧密相连，日益增多的证据强调它们的双向影响。核心时钟基因如CLOCK和BMAL1调控脂质合成、降解和转运蛋白表达。在我们的研究中，健康BMI组显示BMAL1表达与08:00 a.m.总脂质摄入百分比及08:00 a.m.和04:00 p.m. SFA摄入百分比间存在显著关联。相比之下，超重/肥胖组中未检测到此类关联。这一发现可能表明代谢健康个体中外周时钟对膳食脂质线索保持响应性，可能支持营养可用性和代谢基因表达间的昼夜节律对齐。相反，超重/肥胖组中关联的缺失可能反映了受损的营养传感或昼夜节律去同步化——这些现象常与代谢功能障碍相关。

下午BMAL1表达与LDL-C水平间的显著负相关强化了 disrupted circadian 基因表达与不良脂质谱间的潜在联系，临床前研究已显示此点。BMAL1影响西方饮食喂养小鼠的脂蛋白合成和成熟，而肝细胞特异性BMAL1敲除破坏了肝脏昼夜节律，导致增强的脂质分解代谢 alongside 减少的脂质合成和脂肪酸氧化。此外，高脂饮食已发现能减弱肝脏和脂肪组织中的时钟基因表达节律，并诱导肝脏昼夜节律时钟的相位前移。生酮饮食喂养的小鼠在外周组织中显示PER2和其他时钟控制基因表达相位类似的前移，强化了膳食脂质既能作为底物又能作为昼夜节律调节剂的观点。然而，这些发现应用于人类的程度仍不清楚，特定饮食模式（如高蛋白、高脂或生酮饮食）对人类组织昼夜节律基因表达的影响尚未明确建立。

虽然脂质似乎影响时钟基因调节（特别是BMAL1），并可能与LDL-C等脂质相关生物标志物相关，但其他宏量营养素可能影响 distinct 代谢通路。例如，蛋白质摄入发现与甘油三酯水平正相关。尽管高蛋白饮食常与代谢益处相关，但过量蛋白质摄入（特别是来自红肉或加工来源）可能导致甘油三酯浓度升高。这一结果也与机制证据一致，显示在健康个体中，高蛋白饮食增加了de novo脂肪生成相关甘油三酯产生，特别是当蛋白质富含谷氨酸时。然而，在我们的样本中，较高蛋白质摄入的个体主要来自超重/肥胖组，该组通常呈现 altered 代谢谱。这种组分布可能促进了观察到的蛋白质摄入与甘油三酯水平间的正相关。

人类脂肪组织中的时钟基因表达也与代谢状态相关。研究发现肥胖女性内脏脂肪组织中CRY2和REV-ERBα表达增加，而超重/肥胖个体与健康体重个体相比显示REV-ERBα、REV-ERBβ、PER1和PER2表达减少。在我们的研究中，尽管BMI组间未观察到统计学显著差异，但组水平变化暗示 differential circadian 调节。例如，CLOCK表达在超重/肥胖组时间点间显示更大振幅，而健康BMI组中观察到更稳定的表达。这种更大的变异性可能表明较高肥胖个体的昼夜节律错位或减弱的外周节律性，与CLOCK表达在健康个体中倾向于更稳定的报告一致。这种不稳定性可能由肥胖相关因素（如胰岛素抵抗、低度炎症或 disrupted 激素信号）驱动，这些已知会干扰昼夜节律基因反馈环路。

此外，超重/肥胖组呈现数值上更高的早晨PER2水平和更低的下午水平（与健康BMI组相比），尽管这些差异未达到统计学显著性。这种模式可能反映 altered circadian 调节，与啮齿动物模型中发现一致，其中禁食后再喂养（特别是富含蛋白质和碳水化合物的膳食）诱导了肝脏时钟基因表达（包括PER2）的快速转变。超重/肥胖组较高的蛋白质摄入可能促成这一趋势，但肥胖中常见的代谢损伤（如胰岛素抵抗）可能减弱或失调营养诱导的时钟重置。这一发现表明相同的膳食输入可能引发不同的昼夜节律响应，取决于代谢健康：健康个体中，营养素可能强化节律性，而代谢受损个体中，响应可能减弱或错位。

然而，尽管存在这些明显趋势，BMI组间时钟基因表达缺乏显著差异可能不仅限于小样本量，还涉及其他生物学和方法学因素。基因表达在全血中测量，未捕获代谢活跃组织（如肝脏、脂肪组织或骨骼肌）中的昼夜节律时钟活动，其中肥胖相关改变可能更明显。其次，我们的采样策略仅涉及两个时间点进行血液采集，可能不足以描绘昼夜节律振荡或检测基因表达中的潜在相位移动。昼夜节律错位可能通过 altered 定时或振幅显现，这需要更高的时间分辨率来观察。与 chronotype、膳食习惯、睡眠-觉醒行为或激素状态相关的个体间变异性也可能妨碍组水平差异。最后，BMI alone 不一定反映代谢健康状态。相同BMI组内的参与者可能展现不同的表型，尽管有相似的体重分类。

骨骼肌质量是身体成分的关键组成部分，也可能导致个体间响应的变异性。然而，BMI组间在此变量上未观察到显著差异。这可能源于参与者相对年轻至中年、表观健康的状态，其中明显的肌肉损失不太可能。研究表明骨骼肌不仅是关键代谢组织，还呈现自身的昼夜节律时钟，可能影响肌肉功能和代谢。虽然我们的研究未检查肌肉特异性时钟基因表达，但昼夜节律在调节肌肉生理学中的作用可能值得进一步研究，特别是关于代谢健康和身体成分谱。

虽然这项初步研究未评估激素状态，但重要的是要注意与围绝经期过渡相关的激素波动也可能影响观察到的时钟基因表达模式。本研究中的大多数参与者是平均年龄43.4岁的女性，此年龄范围通常与围绝经期重叠。在此年龄范围的女性中，激素波动可影响昼夜节律调节，因为这些激素的受体在SCN和各种外周组织中表达。性类固醇对昼夜节律有直接影响，而雌激素使昼夜节律前移、孕激素使昼夜节律延迟，导致围绝经期观察到的多种代谢和睡眠相关改变。激素周期也处于昼夜节律调节之下；因此，它们的直接关联是毋庸置疑的。此外，雌激素已显示能调节大鼠中PER2的表达。

这项初步研究的发现支持了营养素组成、食物摄入时间和代谢表型共同塑造昼夜节律时钟的观点，对个性化时序营养具有启示。日益增多的证据表明饮食组成和时间在调节代谢节律和影响健康结果中都扮演关键角色。例如，TRE增强了血清脂质和骨骼肌代谢物的节律性（特别是振幅和相位），而未改变骨骼肌中核心时钟基因的表达。脂质代表了 oscillating 血清代谢物的最大类别，强调了进餐时间在独立于分子时钟基因表达调节脂质代谢中的强大作用。

结论

昼夜节律时钟在调节能量稳态中扮演核心角色，并受膳食摄入的时间和组成影响。基于此连接，本研究提供了关于分子昼夜节律时钟、膳食摄入和代谢健康间复杂相互作用的新见解。观察到的宏量营养素组成与时钟基因表达间的时间依赖性关联表明，膳食摄入的质量和时间都可能参与调节昼夜节律时钟。这些发现突出了时序营养作为通过使膳食习惯与身体内部时钟同步来优化代谢健康策略的日益增长的相关性。为进一步澄清这些关系并将其转化为实践指导，未来研究（特别是纵向和良好控制的干预研究）需要调查膳食模式对昼夜节律基因表达和相关健康结果的因果效应。