丁琛课题组利用多维组学手段揭示小鼠肝脏昼夜节律调控机制
发布时间:2018-05-02  阅读次数:1486

       4月19日,复旦大学丁琛课题组,军事科学院贺福初课题组与国家蛋白质科学中心(北京)秦钧课题组合作在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志上发表了题为《小鼠肝脏生理节律调控基因组概貌》(The proteomics landscape of Circadian Rhythm in Mouse liver)的研究论文,该研究揭示了转录因子在小鼠肝脏昼夜节律中的核心调控作用,构建了以转录因子为核心的多维度昼夜节律调控网络,填补了昼夜节律研究在蛋白质组层面的空白,为了解肝脏昼夜节律功能转换机制,节律相关疾病的防诊治研究提供依据。

所谓昼夜节律,是指生物体为了适应外界环境变化而进化出的一套适应性生理系统。它广泛影响着生物体的生理状态与行为活动。哺乳动物中,前期针对多个组织器官的转录组的研究也指出,有超过半数的基因转录受到昼夜节律的调控[1]。昼夜节律影响着几乎所有组织器官的生理功能变化,节律紊乱和众多疾病的发生密切相关。分子机制上,目前普遍认为昼夜节律的调控核心是基于转录因子控制的以转录-翻译为基础的多层次、多维度的复杂反馈调节网络[2]。作为网络核心的转录因子一直以来受到昼夜节律研究者的广泛关注。2017年的诺贝尔生理医学奖的颁发给首次克隆到节律调控中关键转录因子的三位科学家。这也再次印证了转录因子在节律研究中的重要性。

 

      昼夜节律如此普遍的存在而显得易于研究,实则不然。由于技术的局限性,尤其在蛋白水平上对于低丰度转录因子鉴定及DNA结合活性定量上存在困难,对于昼夜节律中节律性转录因子的研究多集中在基因组和转录组水平上。但由于转录后调控、翻译后修饰等复杂过程的存在,基因转录水平与最终蛋白表达水平有一定差异;仅从基因组水平和转录水平无法直接地、全面揭示转录因子节律性。不仅如此,鉴于昼夜节律是一个多维度的调控网络,如何能全方位、多维度的揭示昼夜节律对组织器官生理功能的调控,也是阻碍昼夜节律研究的瓶颈之一。

      研究人员利用前期开发的catTFRE技术,结合多种组学研究方法,以小鼠肝脏为模型在48小时的周期中共获得了了包括:转录因子DNA结合活性谱;磷酸化蛋白谱;泛素化蛋白谱;肝脏的全蛋白谱;转录组;肝脏的核蛋白谱在内的六组不同维度的组学数据。通过对多维组学数据的整合,该研究建立了以转录因子为核心的昼夜节律调控网络,并发现在该网络的调控之下小鼠肝脏会在昼夜间完成免疫调控、糖代谢、脂代谢以及细胞周期调控在内的四大功能转换。

 

 

 

       该项研究同时鉴定了一系列的主效节律转录因子(dominant regulatory transcription factors,DR-TFs),并证明DR-TFs通过调控基因的节律性转录和节律性蛋白表达,最终达到驱动了肝脏生理功能的昼夜转化的作用。

 

      同时,值得一提的是,该工作中研究者发现小鼠肝脏昼夜间的免疫反应存在差异。针对这一现象,研究者以小鼠肝脏巨噬细胞(Kupffer Cells)为对象在细胞分辨率水平上对昼夜节律进行了蛋白质组研究,发现相对于肝脏,Kupffer Cells中的免疫反应相关蛋白表现出更加显著的昼夜节律性。

       该研究不仅以在蛋白组水平上首次对昼夜节律中的调控核心-转录因子进行了解析,并结合多维组学的方法,系统性的描绘了昼夜节律调控网络对肝脏生理功能昼夜变化的影响。同时,肝脏和Kupffer Cells在昼夜间的蛋白质组学研究,体现出蛋白在细胞水平和组织水平中昼夜节律的差异,为深入研究解析器官昼夜间的生理功能差异的分子机制奠定了良好的理论基础,也为后续肝脏昼夜生理功能和节律相关疾病研究提供理论指导和新的研究靶点。

 

      据悉,复旦大学丁琛研究员、国家蛋白质科学中心(北京)的秦钧教授和军事科学院贺福初院士为本文的共同通讯作者,复旦大学博士生王云之,清华大学博士生宋雷为本文的共同第一作者。

 

1.       Zhang, R., et al., A circadian gene expression atlas in mammals: implications for biology and medicine. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014. 111(45): p. 16219-24.

2.       Takahashi, J.S., et al., The genetics of mammalian circadian order and disorder: implications for physiology and disease. Nat Rev Genet, 2008. 9(10): p. 764-75.

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