“指挥家”BMAL1基因核心地位动摇？或许存在其他生物钟驱动因素

撰文 | Qi
责编 | 酶美

生活中难免有这样的经历，比如说值夜班需要调休，出国需要倒时差，不然身体就会吃不消。其实，这都是生物钟在“暗中作祟”。生物钟（Circadian clocks）作为真核生物生命中几乎无处不在的特征，是科学家们研究讨论的热点内容（参见《『珍藏版』Science综述 | 生物钟、癌症与时辰化疗的现状与展望——系统地回顾生物钟扰乱对人类健康影响》），在这个领域比较公认的说法是生物钟在分子水平上是由转录-翻译反馈环（transcriptional-translational feedback loops, TTFLs）构成，TTFLs驱动时钟相关基因产物的周期性表达。其中，BMAL1（也称为MOP3或ARNTL）被认为是不可或缺的组成成分，作为一种转录因子与CLOCK形成异源二聚体以共同激活昼夜节律基因表达。

许多研究表明哺乳动物Bmal1的破坏会导致一系列生理异常，包括昼夜节律行为的消失，睡眠-觉醒周期失调，视网膜功能异常，神经退行性变，以及寿命缩短等，而删除Bmal1基因则会中断核心时钟元件的周期性振荡。然而，也有研究提出Bmal1可能并非标准昼夜节律环路之外的所有分子振荡所必需的，尤其是在全基因组或蛋白质组水平上；此外，经典的TTFL模型似乎也不能全面代表所有分子的生物钟调节方式。那么Bmal1在分子的昼夜节律调节中的地位是否依然“无可撼动”呢？

2020年2月14日，来自美国宾夕法尼亚大学Akhilesh B. Reddy团队在Science杂志上发表了一篇题为 Circadian rhythms in the absence of the clock gene Bmal1 的文章，这项研究发现在Bmal1基因敲除小鼠中，皮肤成纤维细胞和肝切片组织在没有任何外源驱动因素（如每日光照或温度周期）的情况下，其转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白组均能表现出24h的振荡，Bmal1看起来并非是控制机体昼夜节律的必要调节子，可能存在生物钟的其他驱动因素。

文章发表后，相关领域对该研究的实验结果和实验结论发出了不一致的声音。对于此，该团队（以下简称Ray等）于2021年1月29日发表了勘误修订版本，结论依然支持原观点不变。

2021年4月16日，来自美国西北大学的Rosemary Braun团队（以下简称Ness-Cohn等）针对Ray等的研究发表了评论。Ness-Cohn等按照给定方法重新分析Ray等的三个实验（鉴定周期基因；温度补偿研究；AM/PM相移实验）数据后未能重现结果，且认为在任何给定的研究中被检测为存在周期节律的各种基因可能是假阳性或实验伪影，假周期也可能是由于环境或细胞之间的相互作用引起的。最后，Ness-Cohn等认为虽然不能排除Bmal1–/–可能存在昼夜动力学的可能性，但在这篇研究中未能发现任何一致观测到昼夜节律的证据。

除此之外，来自美国布兰迪斯大学的Michael Rosbash和瑞士洛桑联邦理工学院Felix Naef（以下简称Abruzzi等）也在同期Science杂志上对这项研究提出质疑。Abruzzi等同样认为研究存在实验伪影的可能，比如Bmal1–/–肝脏切片振荡总体上是低振幅的，小鼠皮肤成纤维细胞数据也显示出类似的趋势，这些最有可能是实验伪影的来源，因此，这些数据仍然不支持“不依赖Bmal1的细胞内生分子振荡器”的存在。

Abruzzi等还在Ray等的研究中发现一个令人惊讶的现象，大多数其他时钟基因转录本在野生型小鼠中均未显示任何节律，但是却在Bmal1–/–中表现出24小时的节律波动，野生型样品中缺乏节律的现象也提示肝脏实验在技术上存在缺陷。除了上述几点，Abruzzi等还对其他几项实验数据进行重新分析，仍然反驳Ray等提出的“不依赖Bmal1的细胞自主振荡器”存在的说法。

针对Ness-Cohn等和Abruzzi等的质疑，Ray等也在同期杂志上一一作出了回应。

Ray等提出Bmal1敲除中AM和PM数据集中存在>2000个节律转录物，如此大量的节律记录不太可能归因于Ness-Cohn等认为的“噪音”；研究中描述的皮肤成纤维细胞昼夜节律转录组实验并非同时段完成，而是在2-3年时间框架跨论文准备和修订过程的不同阶段进行，可以解释结果中出现的一些不一致性。Ray等提出如果认为研究结果是由“噪声”引起而非真实存在，Ness-Cohn等可以在其认为完全没有外部影响的环境下重复试验，以验证在恒定条件下培养的Bmal1–/–细胞中绝对没有24小时分子振荡。

另一篇回应中，Ray等认为Abruzzi等在重复分析时使用的是JTK算法，而非他们使用的RAIN算法也并未将两种方法的结果进行比较，根据“生物节律基因组尺度分析指南”JTK并非这一领域的“黄金标准”，因此Abruzzi等没有理由认为JTK算法优于RAIN，而在重新分析JTK算法后可以发现JTK中的FDR比真正的FDR更为保守，即JTK会低估节律转录本。此外，针对Abruzzi等提出的“令人惊讶的现象”，Ray等也再次强调实验条件的严格性，结果并非意外产生等。

除了Ray等这项研究外，Welz等人使用不同的Bmal1基因敲除模型发现了皮肤的昼夜节律振荡【1】。这些数据中的882个转录物在Ray等的皮肤成纤维细胞数据和体内表皮数据之间重叠。此外，也有证据表明Bmal1–/–皮肤成纤维细胞在恒定条件下表现出昼夜代谢流量振荡【2】。这些数据也提供了Bmal1–/–细胞和组织在恒定条件下自我维持的昼夜节律振荡的进一步证据。那么Bmal1基因是否依然作为分子昼夜节律调节中核心因子？还是存在其他驱动因素？还需要进一步更为深入的研究。

原文链接：

1. https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abe9230

2. https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abf0922

3. https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abf1930

4. https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abf1941

参考文献

1. P.-S. Welz, V. M. Zinna, A. Symeonidi, K. B. Koronowski, K. Kinouchi, J. G. Smith, I. M. Guillén, A. Castellanos, S. Furrow, F. Aragón, G. Crainiciuc, N. Prats, J. M. Caballero, A. Hidalgo, P. Sassone-Corsi, S. A. Benitah, BMAL1-Driven Tissue Clocks Respond Independently to Light to Maintain Homeostasis. Cell 177, 1436– 1447.e12 (2019). doi:10.1016/j.cell.2019.05.009 Medline

2. R. Ch, G. Rey, S. Ray, P. K. Jha, P. C. Driscoll, M. S. Dos Santos, D. M. Malik, R. Lach, A. M. Weljie, J. I. MacRae, U. K. Valekunja, A. B. Reddy, Rhythmic glucose metabolism regulates the redox circadian clockwork in human red blood cells. Nat. Commun. 12, 377 (2021). doi:10.1038/s41467-020-20479-4 Medline