昼夜节律与细胞周期的分子耦联：从计时到分裂的调控机制

《FEBS Letters》：From timekeeping to divisions—Molecular links between circadian rhythms and cell cycle

　　

昼夜节律与细胞周期是两种基本的生物振荡系统。它们通过分子机制相互关联，形成耦联振荡器，其耦联结果取决于多种因素，例如耦联的方向性（即单向耦联与双向耦联）、两个振荡器的周期，以及连接的数量与强度。在本综述中，研究人员概述了昼夜节律与细胞周期之间的分子联系，并讨论了这种联系在哺乳动物干细胞增殖与分化中的潜在意义。

论文主体内容总结

昼夜节律概述

生物体拥有多种生物节律，可分为三类：超日节律（周期<24 h）、昼夜节律（周期约24 h）和亚日节律（周期>24 h）。昼夜节律具有三个核心特性：第一，在缺乏外部授时因子（zeitgebers）的情况下仍能以约24小时的内源周期自主振荡（free-running）；第二，具有可授时性（entrainable），即内源节律可被光照、温度或摄食等外部线索同步；第三，表现出温度补偿特性，在生理温度范围内维持约24小时的周期。

在分子层面，真核生物中存在保守的转录-翻译反馈环（transcriptional-translational feedback loop，TTFL），该反馈环形成时间延迟的负反馈回路，核心时钟基因的表达及其蛋白产物以约24小时的周期性振荡。在哺乳动物中，CLOCK和BMAL1形成异二聚体转录因子，启动Period（Per1,2,3）和Cryptochrome（Cry1,2）基因的转录，其蛋白产物随后抑制自身激活因子，形成对约24小时周期至关重要的负反馈回路。酪蛋白激酶1（casein kinase 1，CK1δ/ε）通过磷酸化PER和CRY调控其核定位及经泛素-蛋白酶体途径介导的稳定性。此外，RORα和REV-ERB通过结合Bmal1启动子上的RORα/REV-ERB响应元件（RRE）分别激活和抑制Bmal1的表达，从而微调振荡周期。CLOCK-BMAL1复合物结合时钟基因和时钟控制基因（clock-controlled genes，CCGs）启动子中的E-box序列，调控从睡眠-觉醒周期到细胞周期等多种生理和细胞过程。在哺乳动物中，昼夜节律的调控由下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）主导，该主时钟整合光照等外部线索以同步内部生物过程。近期研究还表明，即使SCN被破坏，外周器官中的昼夜节律仍可维持，凸显了外周时钟独立于SCN执行组织特异性功能的重要性。

细胞周期与细胞增殖概述

细胞周期是一个受到精密调控的系统，包含多个检查点，控制细胞生长与分裂。该过程在真核生物中高度保守，传统上分为四个主要阶段：G1期（细胞生长并为DNA合成做准备）、S期（DNA复制）、G2期（复制后间隙期，为有丝分裂做准备）和M期（有丝分裂与胞质分裂）。细胞也可退出增殖周期进入静息态G0期。细胞周期进程由周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases，CDKs）驱动，其活性受周期蛋白的合成与降解、翻译后修饰及CDK抑制剂（CDK inhibitors，CKIs）的调控。细胞周期进入由MYC、WNT等信号通路诱导，通过磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白（retinoblastoma protein，Rb）释放E2F转录因子，促进DNA合成。CDK2/cyclin E复合物驱动G1/S转换并启动DNA复制，CDK1/cyclin B复合物调控有丝分裂的进入。为维持基因组完整性，这些转换受到检查点机制的严密监控。例如，WEE1激酶通过磷酸化并抑制CDK1，在G2/M转换处发挥重要闸门作用；当检测到DNA损伤时，p53诱导p21表达，阻断CDK活性并阻止细胞周期进程。核心细胞周期机制还受MYC、WNT/β-catenin和mTOR等外源信号通路的调控。

从蓝细菌到哺乳动物，尽管倍增时间差异巨大，细胞分裂仍呈现昼夜节律时间依赖性

细胞周期与昼夜节律虽然都是生物振荡器，但其核心功能存在本质差异。细胞周期的周期长度可随系统类型和生长条件大幅变化，例如蓝细菌Synechococcus elongatus的倍增时间在2至10小时之间，粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）指数生长期的倍增时间约为3小时，而大多数哺乳动物细胞在标准培养条件下的细胞周期时间为15至30小时。值得注意的是，上述所有系统均表现出昼夜节律时间依赖性的细胞分裂，尽管其细胞周期时间差异巨大。相比之下，昼夜节律的周期在生理温度和营养条件下维持在接近24小时，例如哺乳动物成纤维细胞中细胞周期时长的温度系数Q10为3.3，而昼夜节律仅为0.88。这符合直觉，因为昼夜节律时钟的主要功能是计时，其周期需要在温度和营养变化下保持相对稳定，这与细胞周期时长的特性形成鲜明对比。

哺乳动物中调控昼夜节律时间依赖性细胞周期与增殖的分子机制

昼夜节律时钟与细胞周期作为相互关联的振荡系统，其正确对齐对优化细胞增殖和维持组织稳态至关重要。这种耦联通过多个调控层面实现，包括细胞周期相关基因的节律性调控、调控细胞分裂过程的蛋白翻译后调控以及调控细胞增殖的信号网络。

Matsuo等人首次鉴定出耦联组分WEE1，证明小鼠肝脏中昼夜节律时钟依赖性的细胞分裂。Wee1编码一种抑制CDK1的核酪氨酸激酶，其表达受BMAL1/CLOCK通过其启动子中的E-box元件节律性调控，从而调节有丝分裂的进入。后续研究在粗糙脉孢菌中通过WEE1的直系同源物STK-29证实了这一保守机制。计算模型进一步确认，昼夜节律对G2/M检查点激酶WEE1的调控足以产生昼夜节律时间依赖性的细胞分裂。其他耦联通路涉及REV-ERBα介导的CDK抑制剂p21的昼夜节律调控。这些调控因子作用于细胞周期的不同阶段，使昼夜节律能够同时控制G1/S和G2/M转换。

进一步研究发现昼夜节律与细胞周期调控网络之间存在广泛重叠。研究人员鉴定了225个在多个组织中表现出昼夜节律性的细胞周期相关基因，其中28个在三个及以上组织中显示节律性表达，并直接与BMAL1和CLOCK结合相关，包括Usp2、Wee1和Cdk4。Usp2编码泛素特异性蛋白酶2，其启动子含有四个BMAL1结合位点，通过稳定cyclin D1和cyclin A1促进G1/S转换。

从昼夜节律中心视角来看，建立从时钟到细胞周期的单向联系以提供时间信息是合理的。然而，积累的数据表明这种联系是双向的。Bieler等人监测了单个NIH3T3成纤维细胞中REV-ERBα-YFP昼夜节律报告因子和细胞分裂，发现分裂细胞中昼夜节律间隔的持续时间比非分裂细胞更短，表明细胞周期对昼夜节律存在影响。在哺乳动物中，周期蛋白依赖性激酶1和5（CDK1、CDK5）可磷酸化核心时钟组分。CDK1磷酸化REV-ERBα，导致其被F-box蛋白FBXW7识别并降解。CDK5以昼夜节律方式磷酸化PER2，促进其与CRY1的物理互作及核内进入。CDK5还可磷酸化CLOCK增强其转录活性。

昼夜节律时钟还通过代谢和信号中间体调控细胞周期进程。转录因子MYC是连接昼夜节律时钟与细胞周期振荡器的关键因子。MYC通过转录激活cyclin D、cyclin E、cyclin B及多个CDK（CDK1、CDK2、CDK4和CDK6）等细胞周期正调控因子，并通过抑制p15、p21和p27等CDK抑制剂来促进细胞周期进程。值得注意的是，Myc含有多个E-box元件，使CLOCK-BMAL1复合物能够直接调控其表达。反之，MYC的失调是多种癌症的常见特征，异常MYC活性与昼夜节律时钟功能紊乱密切相关。BMAL1调控Myc的转录，Bmal1缺失导致MYC水平升高；MYC可通过诱导REV-ERBα降低BMAL1节律的振幅，或通过MYC/MIZ1依赖性下调Bmal1、Clock和Npas2等核心时钟基因来削弱昼夜节律。此外，CRY2与E3泛素连接酶FBLX3形成复合物调控MYC的降解，CRY2缺失导致MYC上调及淋巴瘤发病率增加。

WNT/β-catenin通路是另一条主要的增殖信号轴，通过诱导Cyclin D1等细胞周期基因促进G1/S转换。该增殖通路本身受昼夜节律调控。Bmal1敲低抑制WNT通路表达和活性，BMAL1节律性结合Lef1等WNT信号组分，调控表皮干细胞再生。研究人员还证明潘氏细胞（Paneth cells）中的昼夜节律时钟调控Wnt3a的节律性表达，从而在小鼠肠道类器官中产生昼夜节律时钟依赖性的细胞分裂时间。

mTOR是协调细胞生长、增殖和代谢的中枢调控激酶。mTOR复合物1（mTORC1）作为主调控因子，整合营养和生长因子信号，控制细胞生长和分裂。mTOR通过调控D型周期蛋白和CDK抑制剂p21、p27调控细胞周期进程，并通过增加MYC mRNA翻译和稳定MYC蛋白促进MYC活性。mTOR信号在肝脏、心脏、骨骼肌、脂肪细胞和视网膜光感受器等多种外周组织中表现出昼夜节律性。PER2作为支架抑制mTORC1活性，PER2缺失导致mTORC1信号增强、蛋白质合成增加和细胞增殖加快。BMAL1也被鉴定为mTORC1的负调控因子。此外，mTOR抑制导致昼夜节律周期延长且振幅降低，表明mTOR信号与昼夜节律之间存在双向调控。

昼夜节律时钟依赖性的干细胞再生与分化调控

多能干细胞中不存在昼夜节律时钟，但在成体肌肉和表皮干细胞中已观察到昼夜节律调控细胞增殖。利用Per1-Venus转基因小鼠，Janich等人证明小鼠表皮干细胞具有昼夜节律，调控细胞周期和增殖相关基因的节律性表达。在年轻和年老小鼠中，表皮干细胞的昼夜节律均得以保留，调控DNA修复和细胞周期相关基因的节律性表达。相比之下，小鼠肠道类器官中活跃分裂的肠道干细胞和祖细胞似乎不具有昼夜节律。然而，潘氏细胞作为对宿主防御和干细胞微环境形成至关重要的特殊分泌细胞，具有昼夜节律，通过调控Wnt3A的节律性表达影响肠道类器官中细胞分裂的时间。果蝇和小鼠中均观察到肠道干细胞的昼夜节律时间依赖性增殖。此外，NOTCH信号通路作为肠道上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）分化的关键通路，受昼夜节律时钟调控。

昼夜节律还调控从免疫细胞到脂肪细胞的多种哺乳动物细胞分化。产生白细胞介素-17（IL-17）的CD4+辅助T细胞亚群T_H17细胞的分化受昼夜节律调控。碱性亮氨酸拉链（bZIP）转录因子NFIL3通过直接抑制调控T_H17细胞谱系特化的孤儿核受体RORγt，将昼夜节律时钟机制与T_H17细胞发育联系起来。昼夜节律也调控脂肪生成。BMAL1结合WNT信号通路相关基因，BMAL1转录的破坏导致脂肪生成增加。CRY2通过抑制WNT信号增强脂肪细胞分化。此外，脂肪细胞分化的每日爆发受昼夜节律时钟依赖性的PPARG和CEBPA调控，CEBPA是脂肪生成的主要调控因子，同时CEBPA也维持PPARG水平。

讨论

本综述概述了昼夜节律与细胞周期之间的双向联系，涉及影响细胞周期不同阶段和细胞增殖信号通路的复杂调控机制。理论模型表明，仅通过WEE1建立从昼夜节律时钟到细胞周期的简单单向连接就足以重现昼夜节律时钟依赖性的细胞分裂。考虑到细胞周期时间的异质性广泛存在，昼夜节律时钟可能通过利用多个弱到中等耦联强度的连接来最大化其对细胞周期和增殖的影响。这些连接可能调控细胞群体，使细胞分裂在有利于细胞和生理结果的时间窗口内发生。昼夜节律通过MYC、WNT和mTOR信号影响细胞增殖，表明其在将每日环境线索与生长和代谢调控整合中发挥关键作用。

关于昼夜节律时间依赖性细胞分裂在细胞周期时长差异巨大的情况下仍能发生这一现象，其机制取决于两个振荡器之间的连接数量、连接点相对于细胞周期/增殖阶段的位点以及连接强度。若耦联强度很强，可能显著延长短细胞周期甚至诱导细胞周期停滞；中等耦联强度则根据两个振荡器的内源周期产生不同的细胞周期时长。若细胞周期内源周期接近24小时，昼夜节律时钟可将细胞周期锁定为1：1比例；若细胞周期接近12小时，则观察到1：2比例的耦联，即一天内发生两次细胞分裂。若细胞分裂周期远短于24小时，则预期观察到异质性的细胞周期时间，较大比例的细胞在特定时间窗口内分裂。在小肠中，吸收性细胞类型的祖细胞比分泌性细胞类型具有更短的细胞周期时间，导致吸收性细胞群体更大，表明不同内源细胞周期时间调控不同细胞类型的比例。这些发现提示昼夜节律不仅调控细胞分裂的时间，还可能调控干细胞更新和分化的时间。昼夜节律紊乱会加剧多种癌症的发展，但不同类型的昼夜节律紊乱如何重塑CCGs及其相关信号通路，从而影响昼夜节律时钟、细胞周期和细胞增殖之间的相互作用，仍 largely 未知。未来需要深入研究这些连接的具体条件和动态变化，它们在癌症等疾病状态下的重塑机制，以及如何利用这些信息进行时间疗法（chronotherapies）。