低温通过Hopf分岔消除人体细胞昼夜节律的机制研究

《npj Systems Biology and Applications》：Low temperature abolishes human cellular circadian rhythm through Hopf bifurcation

本研究针对低温环境对人体昼夜节律的影响机制这一科学问题，通过实验与数学模型相结合的方法，首次证实低温通过Hopf分岔机制消除培养人细胞的昼夜节律振荡。研究人员发现低温会逐渐降低U2OS细胞的BMAL1-dLuc生物发光节律振幅而不改变周期，并通过温度循环共振实验验证了该现象符合Hopf分岔特征。这项研究为理解恒温动物外周生物钟的温度适应性提供了新视角，对揭示生物钟系统的进化优势具有重要意义。

　　

在生命演化过程中，生物体发展出了精确的昼夜节律系统，这一内在计时机制使生物体的行为、生理和代谢过程与地球24小时自转周期保持同步。温度作为关键环境因子，对昼夜节律系统具有重要调节作用。有趣的是，尽管环境温度变化会显著影响生化反应速率，但大多数生物的昼夜节律周期却能保持相对稳定，这一现象被称为温度补偿，是生物钟的核心特征之一。

然而，当温度降至特定临界点以下时，变温动物和植物的昼夜节律会出现紊乱甚至完全消失。这种低温诱导的节律丧失现象在从鞭毛藻、真菌到昆虫和高等植物等多种生物中均有报道。相比之下，关于恒温动物（特别是人类）在低温条件下昼夜节律变化的研究相对匮乏。虽然已知冬眠啮齿类动物在深冬眠期间核心体温可降至5°C左右，其视交叉上核（SCN）的基因表达节律会消失，但这一现象在人类细胞中的具体机制尚不清楚。

来自日本九州大学设计学部的研究团队在《npj Systems Biology and Applications》上发表的最新研究中，深入探讨了低温对人类细胞昼夜节律的影响机制。研究团队通过精巧的实验设计和理论分析，首次在人类细胞中证实低温通过Hopf分岔机制消除昼夜节律，这一发现为理解生物钟系统的温度适应性提供了新的理论框架。

研究团队采用的主要技术方法包括：利用携带BMAL1-dLuc报告基因的U2OS细胞系进行实时生物发光监测，通过温度梯度装置精确控制培养温度（25-37°C）；应用周期性温度脉冲刺激研究共振现象；采用Kim-Forger哺乳动物生物钟数学模型和Goodwin模型进行理论分析；招募6名健康志愿者在温控舱（28°C和18°C）内进行人体试验，采集毛发滤泡细胞检测时钟基因表达；建立离体人体毛发滤泡培养系统评估温度敏感性。

低温降低培养人细胞的昼夜节律振幅

研究人员首先在温度梯度装置中培养表达BMAL1-dLuc报告基因的U2OS细胞，监测不同温度下（25-37°C）的生物发光节律。结果显示，随着温度降低，振荡振幅逐渐减小，在约30°C时节律完全消失，而振荡周期在整个温度范围内保持相对稳定。细胞活性实验证实振幅减小并非由细胞活性受损导致。这种振幅减小而周期稳定的特征符合Hopf分岔的理论预测。

低温诱导心律失常后的恢复具有不同相位

将U2OS细胞暴露于低温（22-26°C）后重新加温至36°C，昼夜节律得以恢复。与植物和变温动物不同，人类细胞节律恢复时的相位并非固定于某个特定时刻，而是取决于温度组合。理论分析表明，这一现象源于Hopf分岔产生的稳定不动点的温度依赖性位置，而非SNIC分岔的特征。

温度循环中阻尼振荡的共振现象

在30°C（接近分岔点）条件下，U2OS细胞表现出阻尼生物发光节律。研究人员施加周期性1小时温度脉冲发现，强制振荡的振幅取决于循环周期：1小时脉冲在24小时循环时振幅最大，3小时脉冲在18小时循环时振幅最大。这种共振行为表明冷诱导的阻尼振荡具有接近24小时的共振周期，进一步支持了Hopf分岔的参与。

数学模型中的Hopf分岔偏好

通过分析包含70个参数和180个变量的Kim-Forger哺乳动物生物钟模型，研究人员随机选择温度依赖性参数模拟低温效应。结果显示，Hopf分岔在不同参数数量下均频繁出现，而SNIC分岔发生概率较低。在描述简单转录负反馈循环的Goodwin模型中也观察到类似的Hopf分岔偏好。模型还成功复现了共振行为，与实验结果高度一致。

人体毛发滤泡细胞在不同环境温度下的昼夜节律振幅

在人体实验中，6名参与者分别在28°C和18°C的温控舱内停留24小时，每6小时采集一次毛发滤泡细胞。虽然18°C环境降低了头皮温度，但核心时钟基因（NR1D1、PER3、BMAL1、CLOCK、CRY1）的表达振幅在两个温度条件下无显著差异。相比之下，离体培养的毛发滤泡细胞对外界温度变化更为敏感，不同基因表现出不同的温度依赖性，提示体内环境存在温度稳态机制。

本研究通过实验和理论相结合的方法，系统阐述了低温通过Hopf分岔机制消除人类细胞昼夜节律的动力学过程。研究表明，低温条件下振幅减小而周期稳定的特征、节律恢复时的相位特性、以及温度循环共振现象，均符合Hopf分岔的理论预测。数学模型分析进一步证实，基于负反馈循环的生物振荡器具有产生Hopf分岔的内在倾向。

这一发现具有重要的进化生物学意义。Hopf分岔与温度补偿特性可能存在内在关联，振幅的脆弱性和周期的稳健性或许是生物钟系统为维持温度补偿而付出的进化代价。在恒温动物中，体温节律与生物钟系统之间可能通过共振机制相互强化，这为理解外周生物钟在恒温环境中的进化优势提供了新视角。

值得注意的是，虽然低温诱导节律丧失这一定性现象在不同物种间可能保守，但临界温度值存在显著差异。从人类培养细胞（约30°C）到小鼠SCN脑片（约15°C），再到冬眠动物（约5°C），临界温度随组织层次升高而降低，可能与生物钟振幅大小有关。在人体内，温度稳态机制有效缓冲了外界温度波动，维持了外周生物钟的振幅稳定，而离体细胞则更易受温度影响。

共振现象的研究提示，生物系统可能通过与环境周期共振来优化能量利用，这一机制在植物和蓝细菌中已证实能促进生长。在哺乳动物中，体温节律与生物钟的共振相互作用可能是维持外周生物钟功能的重要机制。

这项研究不仅深化了对生物钟温度适应性的理解，也为探讨生物振荡器的普适动力学原理提供了重要案例。未来研究需进一步阐明低温导致振幅减小的细胞机制（单个振荡器振幅减小还是细胞间去同步化），以及开发更精确的振幅测量技术以减少报告系统本身温度敏感性的影响。