电压门控离子通道的昼夜节律失调会引发跨器官电生理重塑并影响治疗时机

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Circadian Dysregulation of Voltage-Gated Ion Channels Orchestrates Cross-Organ Electrophysiological Remodeling and Therapeutic Timing

　　穆罕默德·莫哈马迪亚里亚

摘要：内在昼夜节律的紊乱会改变细胞电生理特性，进而引发多器官系统的疾病。本研究表明，核心时钟基因（BMAL1、CLOCK、PER、CRY）的功能失调会重塑电压门控离子通道的表达，导致持续去极化、复极化障碍以及氧化应激，从而促使恶性与退行性表型出现。通过对多个器官数据集（GSE130408、GSE62944、TCGA-BRCA、TCGA-LAML、GSE56473）进行整合转录组分析，发现了一系列共同特征：钠通道（SCN家族）表达上调，钾通道（KCNQ、KCNH）表达受抑，膜电位向–45 mV偏移。在神经元模拟中，膜电位从–63 mV变为–50 mV，活性氧水平上升2.3倍，动作电位频率从2.5 Hz升至6.7 Hz，呈现出类似癫痫的发作性过度兴奋状态。视网膜光感受器（rd10）的膜电位从–65 mV变为–47 mV，脉冲发射频率翻倍，表明其处于应激状态。在心脏模型以及经MEA验证的人类iPSC心肌细胞中，SCN5A表达上调，KCNQ1/KCNH2表达受抑，使得动作电位持续时间延长约35%，同时心律和膜电位持续时间出现昼夜节律性波动，这些波动可通过具有相位感知功能的LSTM网络准确预测（心率的相关系数为0.86，膜电位持续时间的相关系数为0.79）。在血液系统组织中，Gardos通道功能受损，TF/PAI-1过度表达，会破坏ROS与ATP之间的耦合，加速白血病发生及血栓形成信号传导。基于昼夜多组学轨迹训练的LSTM模型，对离子通道重塑及细胞周期转换的预测准确率超过85%。通过在同步细胞系统（MCF-10A → MDA-MB-231、U2OS、OCI-AML3）中对已发表数据集的重新分析验证，使用钠通道阻断剂（河豚毒素、利多卡因）或钾通道开放剂（瑞替加滨）可恢复节律性，使活性氧水平降低约40%，细胞增殖速率降低约35%。这一整合性的昼夜节律与电生理框架揭示了不同组织中离子通道重塑的特异性趋势，并为基于昼夜节律的治疗策略提供了依据。虽然在神经元、视网膜和心脏模型中观察到了与相位相关的效应，但对其他器官的预测仍仅基于转录组数据，需进一步实验验证。

引言：生物节律是决定细胞生理功能的关键因素，它能够协调不同组织中的基因表达、代谢过程以及电生理活动。昼夜节律由涉及核心时钟基因（BMAL1、CLOCK、PER、CRY）的转录-翻译反馈回路调控，负责调节离子通道表达、线粒体功能以及DNA修复等方面的日常周期性变化。如今，人们越来越认识到，这种节律紊乱是癌症、神经退行性疾病、心血管疾病以及视网膜病变等疾病的共同分子风险因素。虽然基因组和代谢重编程早已被确认为病理转变的标志性特征，但最新研究指出，昼夜节律紊乱也是上游驱动因素，它会改变可兴奋细胞与不可兴奋细胞的电生理状态。莫哈马迪亚里亚的最新研究表明，环境压力因素（如辐射、pH值或温度变化、电磁场）会升高细胞内活性氧水平，进而促进电压门控离子通道的转录，推动细胞电生理特性向恶性方向转变。该研究采用了一种将霍奇金-赫克斯利动力学模型与氧化还原敏感的转录反馈机制相结合的混合框架，证明持续的氧化应激会通过钙离子内流、线粒体活性氧增加以及钠/钙通道表达逐渐增加，使健康的上皮细胞从不可兴奋状态转变为可兴奋状态；而反复的氧化应激或热刺激则会进一步导致细胞去极化、mRNA积累以及基因组不稳定。

电压门控离子通道在多个层面上都受到严格的昼夜节律调控。从转录组层面及系统综述来看，大脑、视网膜和心脏中的离子通道基因都存在日常周期性调控，这种调控有助于维持稳定的电导特性，进而稳定静息电位及细胞内信号传导。在神经元中，内在时钟信号会通过影响钾电流、BK/Kv家族离子通道及其门控动力学，随时间改变神经元的兴奋性，从而导致视交叉上核的放电模式在白天与夜晚之间存在差异。在视网膜中，光感受器中的L型钙通道（CaV1.3/CaV1.4）也受昼夜节律调控，夜间其电流强度和蛋白表达水平都会升高；cAMP→MAPK/PI3K-AKT、钙调神经磷酸酶等翻译后修饰途径也参与这一昼夜节律调节过程。这些离子通道的转录、翻译后修饰以及门控动力学都受到昼夜节律的影响，从而形成有规律的电导状态，帮助维持静息膜电位及细胞内信号传导的稳定性。一旦这种节律性被打破，Na+/K+/Ca2+平衡就会被打破，进而导致持续去极化及氧化应激。对多个肿瘤相关数据集（GSE130408、GSE62944、TCGA-BRCA、TCGA-LAML）的整合分析显示，各类实体瘤和血液系统恶性肿瘤都存在一致的离子通道重塑特征：钠通道（SCN家族）表达上调，钾通道（KCNQ、KCNH）表达受抑，膜电位向–45 mV偏移。这类变化会促进细胞增殖，增加活性氧水平，同时提升组织因子和PAI-1的 expression，从而将昼夜节律失衡与致癌信号传导及血栓炎性反应联系起来。

同样的机制也存在于退行性疾病和电生理紊乱中。在神经元中，昼夜节律导致的NaV1.2/NaV1.6通道表达上调，同时KCNQ2/KCNA1通道表达下调，会降低神经元的放电阈值，进而导致过度兴奋以及兴奋毒性损伤，这在阿尔茨海默病和癫痫中都有体现。在视网膜中，CACNA1D/F和PDE6B/RPE65通道的昼夜节律紊乱会打破光感受器的钙离子平衡，进而引发类似rd10的光感受器变性。在心脏中，SCN5A、KCNQ1和KCNH2通道的昼夜节律性变化会改变细胞复极化动力学，增加心律失常、长QT综合征以及应激性心肌病（心碎综合征）的发病风险。在血液系统细胞中，KCa3.1通道活性的昼夜节律性减弱，加上TF/PAI-1表达的节律性变化，会破坏ROS与ATP之间的耦合，进而增加白血病发生的风险。总体而言，这些研究都表明，昼夜节律与电生理功能之间存在密切关联，是决定疾病易感性和进展程度的系统级因素。

为从机制层面解释这些现象，我们构建了一个跨器官动态模型，将昼夜节律振荡器与电压门控通道的电导重塑、活性氧动态以及细胞周期调控联系起来。该模型结合了快速的霍奇金-赫克斯利动力学模型、缓慢的基因表达驱动的电导重塑过程，以及受温度和活性氧影响的电容变化。通过将中心化缩放后的转录组数据投影到电压门控离子通道基因集合上，可以建立基因与电导之间的映射关系，从而将昼夜节律带来的基因振荡转化为具体的电生理现象。此外，还利用基于相位信息的长短期记忆网络，对该模型进行训练，该网络能够处理时钟相位、离子通道状态、活性氧积累程度以及细胞增殖速率之间的非线性关联，从而实现针对恶性或退行性转变的精准预测。通过对已发表数据集的重新分析验证，这些预测结果具有可靠性。在同步细胞模型中，使用钠通道阻断剂（河豚毒素、利多卡因）或钾通道开放剂（瑞替加滨）进行药物干预，可以恢复昼夜节律性，降低活性氧水平，同时抑制细胞增殖。此外，通过高密度MEA技术记录的人类iPSC来源心肌细胞也表现出心律和膜电位持续时间方面的昼夜节律性波动，而LSTM模型对这些波动的预测相关性分别达到了0.86和0.79。时间药理学模拟还确定了钠通道阻断的最佳治疗时间窗口（一天中的ZT 6–8时段）以及钾通道激活的最佳时间窗口（ZT 0–2时段），这两个时段分别对应着细胞最大去极化和最大复极化能力的阶段。

总体而言，这一整合性框架将多组学数据、生物物理建模以及通过对已发表数据集的重新分析验证相结合，构建了一个统一的昼夜节律与电生理调控体系，该体系能够调控细胞的兴奋性、氧化还原平衡以及疾病发生风险。通过将昼夜节律相位信息纳入机制模型和基于人工智能的模型中，可以实现精准的时间疗法，即根据特定的时间点优化药物使用、CAR-T治疗或生物电子起搏方案，从而恢复细胞的正常节律性，有效对抗各器官系统中的恶性肿瘤、神经退行性疾病以及心脏功能障碍。如图1所示，核心昼夜节律调控因子的紊乱（BMAL1/CLOCK水平下降，PER/CRY水平上升）会引发电压门控离子通道的重塑（钠通道表达上升，钾通道表达下降）、膜去极化，以及与氧化应激相关的细胞增殖信号传导，这些变化会出现在多种组织中。

1）基于昼夜节律时钟的神经元模型（用于研究脑部疾病）：为体现昼夜节律基因表达与细胞兴奋性之间的时间关联性，每个受时钟调控的基因——无论是离子通道、转录因子还是修复酶——都被视为受内在昼夜节律振荡器调控的周期性驱动因子。其表达动态遵循以下公式：其中，为基线表达水平，为相对振荡幅度，为昼夜节律频率，为该基因特有的相位（例如，BMAL1在一天中的ZT0时段达到表达峰值，PER则在ZT12时段达到峰值）。这一公式能够反映离子通道基因如SCN1A、KCNQ2、CACNA1D的周期性转录调控情况，同时也涵盖了受时钟调控的转录因子（如CREB、NF-κB）以及参与氧化还原平衡的修复酶的调控机制。通过将这些周期性驱动因子纳入神经元霍奇金-赫克斯利动力学模型中，该模型能够再现24小时内的膜电位、动作电位频率以及细胞内活性氧水平的周期性变化。在对照模拟中，同步的BMAL1–CLOCK振荡能够维持稳定的周期性兴奋性，而一旦相位出现紊乱或振荡幅度下降，就会导致持续去极化以及动作电位发放不规则，这些表现与癫痫和神经退行性疾病的症状一致。这种方法能够建立起昼夜节律相位、电压门控离子通道的转录节律与电生理脆弱性之间的机制性关联，有助于理解阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫等疾病中的分子昼夜生物学机制与神经动力学过程。

2）电压门控离子通道合成的昼夜节律性调控：电压门控离子通道的合成过程被建模为钠通道、钾通道和钙通道的传导能力积累速率的周期性调控过程，这一调控过程与氧化应激水平动态相关。各类通道的合成速率可通过以下公式表示：其中，为调控深度，为合成速率达峰的相位。这一公式能够体现核心时钟基因对离子通道表达的周期性调控作用——BMAL1/CLOCK在白天促进离子通道转录，而PER/CRY在夜间则抑制其转录，从而使细胞的电生理兴奋性与昼夜节律保持同步。在正常生理状态下，较低的氧化应激水平有助于维持稳定的Na+/K+离子交替流动，进而将静息电位稳定在–65 mV左右。而在昼夜节律紊乱或氧化应激水平较高的情况下，调控幅度会显著下降，从而导致钠通道持续处于激活状态，钾通道表达受到抑制，膜电位去极化（Vm ≈ –45 mV），同时钙通道如CaV1.3和HCN通道的钙离子内流也会增加。我们需要指出的是，离子通道的传导能力实际上与通道蛋白的丰度呈更直接的正比关系，而非mRNA水平。为考虑这一差异，我们将公式（2）和公式（3）视为包含了相位延迟效应的有效传导动力学模型。具体而言，蛋白质表达被建模为转录振荡信号的低通滤波版本，其特征延迟时间τp通常在4–12小时之间，这一数值与之前的昼夜节律蛋白质组学研究结果一致。这种延迟会在转录峰值与实际功能传导能力之间引入相位差，而我们的模型中所使用的相位偏移量θ?*恰好能够体现这一相位差。

3）昼夜节律振荡器（BMAL1–PER反馈循环）：为了模拟24小时的周期性变化，我们可以使用简化版的仅包含相位信息的模型，或者使用更为复杂的包含两种基因的BMAL1–PER反馈循环模型。在简化版模型中，时钟状态的变化遵循以下公式：其中，为较小的相位噪声，为光照或行为因素所引发的相位变化。为了提高模型的机制准确性，我们采用了更复杂的包含两个基因的转录反馈循环模型，该模型能够更真实地反映BMAL1–PER系统的功能。以下公式描述了BMAL1（B）和PER（P）的合成、相互抑制以及降解过程，其中的瞬时相位由下式定义。通过调整相关参数，可以使模型产生周期约为24小时的自我维持振荡，同时使BMAL1和PER的表达幅度保持生理学上的合理比例。这个振荡器能够产生有节奏的控制信号，从而调控下游离子通道的合成、细胞的氧化还原敏感性以及细胞周期的启动，进而将分子时钟的动态变化与电生理重塑以及与疾病相关的昼夜节律紊乱联系起来。其中，分别为BMAL1、PER的浓度，为相位值。时钟调控基因的周期性转录驱动作用，会通过一个慢速适应项与离子通道传导能力的氧化还原敏感性调控相结合：其中，为基础合成速率，为昼夜节律调控的深度，为时钟相位，为离子通道表达达峰的优选相位（例如，钠通道在ZT12时段表达活跃，钾通道在ZT0时段表达活跃）。这一公式能够体现昼夜节律与氧化应激对电压门控离子通道合成过程的共同调控作用。在正常生理状态下，较低的活性氧水平有助于维持Na+/K+离子的周期性交替流动，进而将静息电位稳定在–65 mV左右。而在昼夜节律紊乱或长期处于氧化应激状态的情况下，升高的活性氧水平会增强钠通道的传导能力，同时抑制钾通道的表达，从而导致膜去极化（Vm ≈ –45 mV），钙离子内流增加，同时HCN通道和TRP通道的活性也会过度升高。这些变化会引发细胞过度兴奋、突触功能不稳定以及能量平衡失调，这些都是神经退行性疾病进展过程中的典型电生理特征。为将这种电生理重塑与细胞的命运变化联系起来，我们将经过活性氧调控后的膜电位变化值输入到一个S形过渡函数中，该函数用于控制细胞从G1期进入S期的概率。这一概率值能够反映昼夜节律如何调控细胞的增殖与静止状态。当昼夜节律出现紊乱时，这一调控机制会偏向于持续推动细胞从G1期进入S期，这一现象与阿尔茨海默病以及氧化应激诱发的兴奋毒性作用中的神经元细胞周期异常重入现象一致。这一多尺度模型将昼夜节律相位、氧化还原信号传导以及电生理重塑整合为一个统一的预测框架，用于评估神经元的易感性。每个电压门控离子通道的有效传导能力遵循以下的昼夜节律调控公式：其中，为平均基线传导能力，为与应力状态相关的调节因子，为将通道合成过程与细胞内的磷酸化反应或钙离子内流等信号传导途径相连接的调控因子。昼夜节律调控项通过时钟平衡效应和相位匹配效应来调控这一过程：该参数反映了细胞对昼夜节律平衡评分的敏感程度，而昼夜节律平衡评分是通过比较BMAL1/CLOCK与PER/CRY的表达比例得出的。如果昼夜节律平衡评分较低，说明昼夜节律存在紊乱，此时离子通道的合成会增加，这一现象与疾病状态下的去极化趋势相似。具有相位依赖性的门控机制则能够实现对传导能力的周期性调控，其中，为瞬时时钟相位，为该离子通道的特定峰值相位（例如，钠通道在ZT12时段达到峰值，钾通道在ZT0时段达到峰值）。该模型使得Na+和Ca2+的传导性（ζ > 0）在活跃的昼夜节律阶段上升，而K+和Kir的传导性（ζ < 0）则在休息阶段达到峰值，从而再现了去极化和复极化作用之间的生理交替。这一多尺度理论框架将昼夜节律阶段、活性氧信号传导以及电压门控离子通道的重塑整合为一个可用于预测神经元脆弱性及基于生物钟的治疗策略的框架。所有昼夜节律-电生理学模拟中使用的参数定义及典型值均总结于表1中。

昼夜节律紊乱会改变不同组织中的离子通道表达情况。为验证该昼夜节律电生理学模型，研究人员分析了公开可用的膜电位记录数据集（GSE183682、GSE140454、CRCNS pvc-3）。暴露于氧化应激环境中的神经元表现出更高的放电频率（上升45%）以及更明显的去极化趋势（约12 mV），这些结果与模型预测一致（膜电位：从-63 mV降至-50 mV；活性氧水平增加2.1倍）。长短期记忆网络模型预测出了具有24小时周期、振幅约为5 mV的膜电位振荡，其与膜电位记录所得的昼夜节律性放电峰值时间相差约1.3小时。通过药物诱导的复极化处理……

研究结果表明，昼夜节律紊乱是导致多种器官系统中电生理学结构改变及疾病易感性的共同上游驱动因素。通过结合多组学转录组分析、机制性的离子通道模拟以及考虑时间阶段的深度学习方法，研究团队定量证明了核心生物钟网络（BMAL1、CLOCK、PER、CRY）的功能失调会重新配置电压门控的Na+、K+、Ca2+及HCN离子通道的传导特性。这种重构会导致持续的膜电位变化……

膜电位动态是通过霍奇金-赫胥黎型模型来模拟的，其中各离子通道的传导性g?会根据昼夜节律及活性氧水平的变动而发生变化（见方程式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)）。不同组织的模型因所含离子通道的种类及参数设置而存在差异。在神经元模拟中，当活性氧水平增加2.3倍时，膜电位会从-63 mV变为-50 mV。为量化生物电效应与氧化应激的共同影响，研究者提出了生物电恶性指数（BMI），其计算公式为：BMI = w1(Vm ? Vrest) + w2·ROSnorm。

本研究建立了一个统一的、以机制和数据为依据的框架，将生物钟功能紊乱与神经元、视网膜、心脏及血液系统中的电生理学结构改变联系起来。通过整合核心的昼夜节律调控因子（BMAL1、CLOCK、PER、CRY）、电压门控离子通道的动态特性、活性氧信号传导以及细胞周期调控机制，研究证明生物钟功能失衡会引发持续的去极化状态、氧化应激以及异常的细胞增殖现象，而这些正是恶性肿瘤及某些其他疾病的典型特征……

未来可将该昼夜节律-电生理学框架应用于多发性硬化症及神经精神障碍中的脑电图网络功能紊乱研究。作为该框架的拓展应用，类似的机制或许也能解释神经炎症性疾病及精神疾病，尤其是多发性硬化症中所观察到的网络功能障碍。在多发性硬化症中，慢性炎症、氧化应激以及髓鞘破坏会促使电压门控钠离子通道和钾离子通道在受损的轴突上重新分布……

本研究并未生成新的实验数据，所有的转录组数据及电生理学数据均来自GEO、TCGA、CRCNS等公开数据库以及已发表的膜电位记录研究文献。

作者声明不存在任何利益冲突。

本研究没有获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的资助。

作者进一步声明，自己没有任何可能影响本研究结果的已知财务利益、个人关系或隶属关系。