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张二荃实验室发现哺乳动物生物节律和低氧信号通路存在相互调控,并揭示其在基因组水平互作的新机制

发布时间:2017/01/11

   2017110日,我所张二荃实验室在新一期的《Cell Metabolism》杂志发表题为“Reciprocal Regulation between the Circadian Clock and Hypoxia Signaling at the Genome Level in Mammals”的封面文章(cover story),发现生物节律与低氧信号通路存在相互调控,并揭示其互相调控的分子机制。

生物节律在维持代谢与生理机能的内稳态过程中起着非常重要的调控作用。哺乳动物生物节律由转录翻译反馈回路(transcriptional/translational feedback loop,简称TTFL)的核心振荡器驱动,其主构架由转录激活因子CLOCK/BMAL1和转录抑制因子PER/CRY组成。这些组件共同工作,生物产生24小时的内源节律。同时,生物钟的精确运行不仅靠简单的TTFL,更有多层级、网络化的信号调控参与其中。在2009年,张二荃老师在U2OS细胞中进行的基因组范围的siRNA筛选确认了哺乳细胞内许多通路都参与到生物钟调网络的构建中,例如受生物钟调控的细胞周期通路。因此,哺乳动物生物钟与许多信号网络是互相交织、互相影响的,也因此影响到哺乳动物机体方方面面的生理和行为。

   低氧信号通路参与到血管生成、细胞迁移、促血细胞生成素(EPO)产生等关键生理过程,以及诸如脑中风、心肌梗塞等病理进程中。早期的基因克隆研究表明,低氧通路的关键因子HIF1A/ARNTCLOCK/BMAL1序列相近,结构相似度高,暗示这两通路之间有可能存在相互调控(Hogenesch et al., PNAS, 1998)。然而后续的体外实验出现诸多相互矛盾的现象和解释,而体内实验由于受限当时模拟低氧诱导试剂Ni2+/Co2+的较强毒副作用而无法获得明显进展。在本研究中,研究团队采用了一种新型用于诱导低氧反应的低毒性化合物DMOG,在不同时间点对小鼠进行相同剂量的药物腹腔注射,通过检测肝脏中低氧反应下游靶标基因的诱导表达以监测低氧反应的强度。作者发现一系列经典的Hif1a靶标基因,如Glut1VegfaEpoEgln1-3都在特定的时间点(ZT6-9时相)诱导表达水平显著高于其它时间点。类似现象在一个临床三期药物FG-4592EGLN抑制剂,用于激活低氧通路)诱导也有看到,即所谓“昼夜节律门(circadian gating)”现象。这一结果首次在体、清晰地证明了生物钟对低氧通路在小鼠中的反应强度调控。

   为了进一步解析这一重要现象的分子机理,研究人员综合运用了一系列的分子细胞生物学、生物信息学、基因组学包括ChIP-seq等实验手段,发现生物钟与低氧通路至少在两个层面有互作:在染色质水平上,HIF1A/BMAL1有协同激活下游基因转录的功能;在更上一层基因表达方面,CLOCK/BMAL1能够激活HIF1A基因的表达,而HIF1A又能激活另一核心钟基因PER2的表达。因此,除了前面描述的“生物钟调控低氧反应强度”之外,研究小组还证明,低氧信号的激活反过来会减慢生物钟的周期和降低其振幅。这一互作现象在同一期发表的另两篇文章中得到了体现和呼应(Peek et alAdamovich et al, 2017)。




   最后,研究人员在小鼠体内构建了心肌梗塞模型,发现心肌细胞在病理情况下的低氧反应受到生物节律影响。在不同时间点心肌缺血造成的严重程度不同,在生物钟功能异常的突变体小鼠(Per1/Per2双敲除)中,心脏缺血会造成更严重的心肌细胞损伤。可能的解释是低氧会激活凋亡基因Bnip3的表达,而在Per1/Per2双敲除中,低氧反应更强烈,Bnip3激活水平更高,从而引起了更严重的细胞死亡。这说明正常功能的生物钟可能对心肌细胞(在心梗时)有一定的保护作用。

   我所与北京师范大学联合培养博士生吴雅玲为本文第一作者,北京大学-清华大学-北京生命科学研究所(PTN)联合培养项目汤定斌为本文共同一作。其他作者包括张二荃实验室博士生刘娜、熊伟、李杨、马志雄,和技术员赵海焦;来自我所化学中心的齐湘兵老师、陈珮豪同学,以及测序中心的黄焕伟也对本研究有贡献。张二荃老师为本文通讯作者。该研究由科技部973项目、北京市政府,和国家“青年千人计划”资助,在北京生命科学研究所完成。封面设计为我所专业人员石孟利。