《Advanced Science》：RHINO: An Integrative Multi-Omics Framework Linking Circadian Physiology to Precision Medicine
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昼夜节律参与几乎所有生理过程，其紊乱会增加疾病风险。将给药时间与体内生物钟对齐，即昼夜节律医学，有望提高治疗疗效和安全性。然而，系统性地识别昼夜节律调控治疗靶点的策略仍然有限。研究人员开发了RHINO（用于多组学的节律相互作用网络，RHythmic Inter
昼夜节律参与几乎所有生理过程，其紊乱会增加疾病风险。将给药时间与体内生物钟对齐，即昼夜节律医学，有望提高治疗疗效和安全性。然而，系统性地识别昼夜节律调控治疗靶点的策略仍然有限。研究人员开发了RHINO（用于多组学的节律相互作用网络，RHythmic Interacting Network for multi-Omics），一种整合多组学框架，用于探索不同遗传和疾病背景下的昼夜节律调控，并优先筛选可药物化的昼夜节律靶点。应用RHINO揭示，人类遗传变异广泛塑造节律性基因表达，约80%的美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物靶点表现出基因型依赖性节律性，从而显著扩展了更精准昼夜节律医学的可药物化靶点范围。跨癌症类型和疾病的昼夜节律分析进一步鉴定出持续丧失节律性表达的基因，突显了与疾病进展相关的保守昼夜节律脆弱性。整合调控分析提名了上游转录调控因子，包括雌激素受体α（Estrogen Receptor α, ERα）。尽管雌激素信号的昼夜节律性 conserved转录因子结合位点已被认识数十年，研究人员证明这种节律性在临床前小鼠模型中表现出时间依赖性的代谢反应。总之，RHINO提供了一个社区可访问的多组学平台，整合遗传变异、疾病相关昼夜节律重塑和调控推断，以推动昼夜节律医学的发展（https://hanlaboratory.com/RHINO）。
**一、研究背景与意义**
昼夜节律（circadian rhythm）是生物体遵循约24小时周期的内源性计时系统，能够协调能量代谢、激素分泌、免疫应答和细胞增殖等多种生物学过程。流行病学研究表明，由睡眠剥夺、不规律进食或慢性时差引起的昼夜节律失调与肥胖、糖尿病和癌症等多种疾病风险增加相关。反之，将外部环境线索与内部昼夜节律对齐，即昼夜节律医学（circadian medicine），已在癌症、代谢性、心血管、神经和年龄相关疾病中显示出有益效果。
尽管昼夜节律医学前景广阔，但将其转化为临床应用仍面临关键瓶颈：目前缺乏系统性策略来识别昼夜节律调控的治疗靶点，且临床实施需要全面识别昼夜节律调控靶点并精确优化给药时间。为此，研究人员在《Advanced Science》发表了这项研究，旨在构建一个整合性多组学框架，以推进精准昼夜节律医学的发展。
**二、关键技术与方法**
研究人员构建了RHINO平台，整合来自26,548个样本、涵盖34种组织及139个解剖亚区、跨越人类、狒狒和小鼠3个物种31种遗传、病理和生理条件下的18种数据模态。在人类研究中，利用基因型-组织表达（GTEx）项目13,683个样本的45种组织转录组数据，结合先前通过节律性数量性状位点（rhyQTL）分析识别的基因型依赖性节律基因；利用The Cancer Genome Atlas（TCGA）数据库中12种癌症类型（每种≥25例肿瘤及配对正常邻近组织）进行泛癌分析，采用CHIRAL算法基于12个核心时钟参考基因推断个体内源性昼夜相位；整合DrugBank、ChEMBL、PharmGKB和Therapeutic Target Database的药物-基因互作信息。在小鼠研究中，分析7种病理条件（营养挑战、疾病模型、遗传扰动和微生物组破坏）下的肝脏转录组。在上游调控因子预测中，采用两种互补方法：利用GIGGLE评分基于小鼠肝脏73个转录因子（TF）ChIP-seq数据评估结合富集度；利用H3K27ac ChIA-PET染色质互作和GRO-seq衍生的节律性增强子活性结合HOMER进行基序富集分析。在临床前验证中，采用卵巢切除（OVX）小鼠模型，于ERα表达谷值期（ZT4）或峰值期（ZT16）给予17β-雌二醇（E2）或溶媒对照，持续4周，评估代谢表型和肝脏胰岛素信号。
**三、研究结果**
**2.1 人类遗传变异扩展了精准昼夜节律医学的潜在治疗靶点**
研究人员将药物-基因互作数据与45种人类组织的节律基因进行匹配，发现约80%的FDA批准药物靶点具有节律性表达（此前估计为56%），约30%的节律基因可映射至至少一种药物，显著扩展了时间优化治疗策略的范围。节律性药物靶基因显著富集于代谢过程（脂肪酸代谢、糖酵解、胆汁酸代谢）、免疫炎症反应（干扰素-γ反应、补体激活、ROS通路）、细胞状态转换（凋亡、脂肪生成、上皮间质转化）和经典信号通路（PI3K/AKT/mTOR、JAK/STAT、mTORC1和雌激素反应）。通过整合基于转录组的药物敏感性预测数据（以IC
50值表示），研究人员发现基因型依赖性节律性确实影响药物反应的时间特异性，例如NAMPT（rs6961275位点GG基因型）和EZH2（rs6971236位点CC基因型）的节律性表达与相应抑制剂（Daporinad和GSK343）的预测敏感性存在时间窗口差异。
**2.2 泛癌昼夜节律分析揭示具有节律紊乱的潜在时间治疗靶点**
研究人员分析了12种TCGA癌症类型，发现肿瘤组织普遍存在节律基因表达的广泛丧失，中位81%的节律基因在肿瘤中丧失节律性，仅约12%获得节律性。135个临床可药物化基因中，61个在至少3种癌症中表现出节律性。例如，EGFR在结肠腺癌（COAD）肿瘤中获得节律性，MET在甲状腺癌（THCA）肿瘤中获得节律性，且预测药物反应存在峰谷差异。跨癌种比较发现节律相位分布发生显著偏移（Watson双样本检验，p < 0.001），肺腺癌正常组织中清晨相位基因富集于细胞呼吸和氧化磷酸化，而肿瘤中清晨相位基因富集于T细胞激活和炎症信号通路。367个在至少7种癌症中丧失节律性的基因显著富集于细胞周期调控、FoxO信号、p53反应和免疫调节通路，其中CRY2、FOXO1、NAMPT和RCAN1在超过10种癌症中持续丧失节律性。
**2.3 跨条件分析揭示节律基因的共同破坏模式**
小鼠肝脏的7种病理条件分析显示，与前述人类癌症发现一致：大量节律基因在多种条件下共同丧失节律性，显著超过随机期望；而共同获得节律性的基因显著少于期望。306个在≥3种条件下保持节律性的基因富集于昼夜节律调控、代谢通路和BMAL1-CLOCK靶点；781个共同丧失节律性的基因富集于应激相关通路（mTORC1信号、雌激素反应、缺氧和TGF-β信号）。
**2.4 整合多组学分析鉴定上游昼夜节律调控因子**
两种互补方法均鉴定出一批上游调控因子。GIGGLE评分方法显示核心时钟基因NR1D1（REV-ERBα）和ARNTL（BMAL1）排名最高，同时非常规时钟调控因子如MYC、BRD4、RARA和RXRA也显著富集。基于ChIA-PET和GRO-seq的方法鉴定出HNF4α、HNF1、PPARα、ERα和RXR为顶级调控因子。ERα在人和小鼠多种组织中表现出保守的节律性表达，但相位相反（与人类日间活动、小鼠夜间活动对齐）。
**2.5雌激素给药时间依赖性的代谢反应差异**
OVX小鼠模型实验表明，夜间E2给药（ZT16，ERα峰值期）相比日间给药（ZT4，ERα谷值期）产生更持续的体重下降、更低的循环葡萄糖水平，以及增强的肝脏胰岛素信号（IRS1和AKT磷酸化的处理×时间交互作用显著）。胰岛素受体（IR）磷酸化无显著变化，提示E2在受体后水平调节胰岛素敏感性。肝脏ERα靶基因Insig2、Map3k13和Ptgds的表达也显示出处理和时间的主效应或交互作用。
**2.6 AI驱动的昼夜节律多组学平台**
RHINO平台（https://hanlaboratory.com/RHINO）整合了26,548个样本的10层调控数据，涵盖18种数据模态，并配备基于大语言模型（LLM）的智能对话界面，支持自然语言查询、实时计算和生物知识检索，实现基因节律性查询、跨物种组织比较和用户自定义分析。
**四、讨论与结论**
研究人员指出，昼夜节律医学为优化治疗干预提供了一种低负担的创新方法。通过考虑人类遗传变异和节律性药物-基因配对，研究将适合时间优化治疗的FDA批准药物比例从56%提升至80%。跨12种癌症和多种病理条件的比较分析鉴定出共同丧失节律性的基因，其节律性可能对维持生理稳态至关重要，恢复其节律调控可能代表一种新的治疗策略。
研究特别强调了ERα作为非常规时钟调控因子的功能意义。尽管循环雌激素的昼夜节律已被认识数十年，但其功能性意义一直缺乏直接实验证据。研究证实夜间E2给药在OVX小鼠中产生更优的代谢结局，表现为体重和脂肪/体重比下降、血糖降低、肝脏胰岛素信号增强。这些发现支持一种模型：雌激素信号的昼夜节律变异导致时间依赖性的代谢结局差异。
然而研究也存在局限性：未测量给药后特定时间点的循环E2浓度，不能排除药代动力学差异的贡献；缺乏完整对照组限制了内源性与外源性雌激素信号模式的直接比较；分子读数反映单时间点信号活性而非全身代谢状态的直接评估；大多数功能验证在小鼠模型中完成，向人类生理的转化相关性需要进一步的临床研究和严格控制的时辰药理学试验验证。
总之，RHINO框架通过整合遗传变异、疾病相关昼夜节律重塑和调控推断，为系统探索昼夜节律调控和时间依赖性治疗策略提供了综合性平台，推动了从昼夜节律生理学到精准医学的转化应用。
