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综述:昼夜节律钟与应激诱导的生物分子凝聚体之间的调控联系
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年05月28日 来源:npj Biological Timing and Sleep
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这篇综述深入探讨了昼夜节律钟(circadian clock)通过调控生物分子凝聚体(如应激颗粒SG和加工小体PB)动态,协调转录后翻译机制以应对热应激的跨物种保守机制,重点揭示了植物中时钟通过RNA结合蛋白(如GRP7、RGBD2/4)和翻译起始因子(eIF2α磷酸化)调控mRNA时空隔离的潜在通路,为理解生物钟-环境互作提供了新视角。
昼夜节律钟的保守机制
昼夜节律钟作为生物体内高度保守的时间调控系统,通过转录-翻译反馈环(TTFLs)整合光温等环境信号。拟南芥中,核心组分CCA1/LHY与TOC1形成负反馈环,而哺乳动物依赖CLOCK-BMAL1异源二聚体激活Per/Cry基因,真菌则通过White Collar Complex(WCC)调控frq基因表达。尽管蛋白序列缺乏同源性,三者均通过磷酸化、泛素化等翻译后修饰维持振荡周期。
转录后调控的时钟维度
植物中约40%的基因呈现翻译水平节律性,远超转录振荡比例(30%)。温度通过调控核心时钟基因(如CCA1、LHY)的可变剪接(AS)影响蛋白功能:低温抑制CCA1内含子保留,促进全长蛋白生成以增强耐寒性;而Neurospora中frq基因的温度敏感剪接通过改变l-FRQ/s-FRQ比例调节翻译效率。此外,时钟还通过5'-3' mRNA衰减通路(如LSM1、XRN4)和APA(选择性多聚腺苷酸化)动态调控mRNA稳定性。
翻译的时钟控制与能量权衡
拟南芥核糖体负载率在白天达70%,夜间降至20%,与光合能量供应同步。CCA1过表达株系中,CCL等基因的翻译节律消失,表明时钟直接调控mRNA-核糖体结合。热应激时,部分转录本(如BBX16/17)仅转录水平上调而翻译受抑,提示应激颗粒(SG)可能介导时间依赖性mRNA隔离。有趣的是,自养型植物优先在白天合成蛋白质,而异养生物如Neurospora则通过CPC-3激酶夜间激活eIF2α磷酸化以协调翻译抑制。
生物分子凝聚体的应激响应
SG与PB作为无膜细胞器,通过液-液相分离(LLPS)形成动态微环境。植物SG在热应激时招募蛋白酶体和自噬蛋白(如ATG8),协助错误折叠蛋白清除;而PB则通过大小异质性调控mRNA储存/降解平衡。质谱分析显示,拟南芥SG标记蛋白(Rbp47b、TSN2)的互作组高度异质,仅3种蛋白重叠,且60%-80%的SG相关蛋白受时钟转录调控。
时钟-SG耦合的潜在模型
动物研究中,BMAL1缺失导致夜间eIF2α磷酸化升高,促进SG形成;Neurospora则通过cTIC基因(如ZIP-1)的PB隔离实现翻译节律性。植物中,时钟可能通过调控SG组分(如GRP7、CRB)的昼夜表达,将LHCB1.1等mRNA靶向SG以优化应激响应。能量代谢可能是关键枢纽——时钟在淀粉耗尽的夜间可能通过SG储存mRNA,待黎明能量恢复后重启翻译,实现资源高效分配。
未解之谜与未来方向
植物SG是否具备原位翻译能力?时钟如何特异性识别mRNA靶标?气候变化背景下,解析SG动态与作物抗逆性的关联将成为重点。生物分子凝聚体研究仍处爆发期,其相变调控、IDR(内在无序区)功能等发现将持续革新对生物钟-环境互作的理解。
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