综述|NAT REV MOL CELL BIO:代谢与生物钟之间的交互作用
编译：Mendelsohn，编辑：谢衣、江舜尧。
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与所有哺乳动物一样，人类将其日常行为分为活动（清醒）和休息（睡眠）阶段，这些阶段的代谢需求差异很大。生物钟演变为一种自主计时系统，可将行为模式与太阳日对齐，并通过预测和协调所需的代谢程序来支持身体机能。这种同步的关键组成部分是大脑中的主时钟，它对环境的明暗做出反应。然而，为了实现对整个生物体的昼夜节律控制，身体的每个细胞都配备有自己的昼夜节律机制，由主时钟控制，并通过控制代谢程序的限速步骤赋予个体细胞和器官节律性。重要的是，代谢调节不仅仅是昼夜节律系统的输出功能，而且是将营养、能量和氧化还原信号反馈给细胞时钟，以增强昼夜节律性并使生理适应时间组织特异性需求。因此，存在多种系统和分子机制，将生物钟与从细胞器到整个生物体所有水平的代谢连接起来，并且这种昼夜节律-代谢之间交互作用的失调可导致各种病理的发生。
论文ID
原名：Crosstalk between metabolism and circadian clocks
译名：代谢与生物钟之间的交互作用
期刊：Nature reviews Molecular cell Biology
IF：43.35
发表时间：2019.04
通讯作者：Hans Reinke & Gad Asher
作者单位：德国杜塞尔多夫大学
综述内容
代谢是生物体用于转化分子以产生能量和构建结构的生化反应网络。代谢调节的基本原理在所有形式的生命中都是高度保守的，代谢控制超越了细胞生理学的各个方面，从生命的开始到结束。当细胞在发育成长、肿瘤发生、或衰老伴随着细胞代谢的大规模重新布线。此外，生物体的代谢需求与代谢能力之间的差异与多种病理变化相关，包括代谢综合征和2型糖尿病。总体而言，代谢适应性对于在频繁变化的环境中对外界信号作出反应是至关重要。
所有的有机体都依赖于对环境变化作出反应的能力，而预测这些变化的能力决定了有机体如何应对这些变化。例如，因单一一种的食物传播病原体中毒，会引发宿主防御途径的线性信号转导级联反应，最终免疫系统消除病原体及其毒素。然而，许多食物含有低水平的天然毒素，这些毒素需要被动物中和以防止病理发生。因此，当动物只在活动阶段摄取食物时，时间则是有利因素。这类事件由于其周期性而具有很高的可预测性，其重现时间在很大程度上取决于太阳活动周期。然而，需要一种内在的、预期的机制来实现对环境变化的临时程序化响应。这一机制是生物钟，它在所有光敏感生物体中进化，为绝大多数生理和行为过程提供节律调节。从控制细胞和器官代谢，到协调血液营养稳态中器官功能、调节大脑睡眠-觉醒周期，昼夜节律控制在各个层面都发挥着作用。然而，昼夜节律系统不仅对代谢过程施加节律性，代谢信号和状态也强烈地反馈给昼夜节律系统。换言之，新陈代谢不仅仅是昼夜节律调节的输出，也为昼夜节律时钟提供重要的输入。事实证明，这种输入-输出反馈对于提供生物钟必要的灵活性来调整生理以适应细胞、组织和整个生物体的代谢需求是必不可少的。
在这篇综述中，我们着重讨论新陈代谢和生物钟之间的相互作用，并讨论各种潜在的机制。昼夜节律和新陈代谢之间的相互作用是广泛的，可以从非常不同的角度加以涵盖。我们选取提供昼夜代谢节律的调节原则，将每天活化某些解毒机制的相关过程安排在跟进食一致的时间里，在一个更广阔的系统背景下进行研究。如此一来，我们从细胞到器官特异性和系统性的调节，并指出每个水平的昼夜代谢交叉点。我们的讨论局限于哺乳动物的生物钟，重点讨论由昼夜-代谢之间串扰干扰引起的相关人类疾病。生命其他领域的昼夜代谢调控在其他优秀综述文章的主题已有详述。
在哺乳动物的大部分（如果不是全部）全分化细胞中存在着以昼夜节律为基础的分子钟。在生物体水平上，生物钟是分层结构的，由不同类型的时钟组成，对哺乳动物的生物钟系统具有不同的功能。
1.1 核心时钟基因
人体所有细胞中的分子昼夜节律振荡器依赖于由所谓的时钟基因构成的转录-翻译反馈环（图1a）。周期（PER）和隐色素（CRY）基因被转录激活因子激活：昼夜节律运动输出周期故障（CLOCK）、神经元PAS结构域蛋白2（NPAS2）和芳香烃受体核转运体样蛋白1（ARNTL1；更常称为BMAL1），它们形成CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1异二聚体。这些复合物与启动子区的e-box元件结合，激活PER和CRY基因的转录。PER和CRY蛋白被导入细胞核并抑制自身基因位点的转录，从而开始一个新的昼夜循环。第二个反馈回路对振荡机制提供更多的稳健性，它由核受体亚家族1D（NR1D；更常称为REV-ERBA）和RAR相关孤儿受体（ROR）家族的核受体组成，这些受体同样由核心时钟振荡器的组件激活，并驱动来自ROR元件结合位点的BMAL1节律性表达。这些复杂的反馈循环产生周期约为一天的节奏，因此被称为昼夜节律（circa diem，拉丁语是“大约一天”）。时钟因子还与细胞特异性增强子结合，并与各种表观遗传调控因子形成复合物，以驱动核心时钟机制之外的目标基因的节律性表达，即所谓的时钟控制基因（图1b）。总的来说，昼夜节律振荡器是一个由许多组分构成的高度复杂分子机制，超出了本文的讨论范围，可在其他文章找到详尽的描述。近年来，一些有趣的研究拓宽了我们对核心时钟机制的看法。生物钟自主的代谢振荡似乎存在于高等生物的细胞中，在细胞节律性的产生中涉及过氧化物酶、氧化镁和钾通道（图1c-e）。然而，这些与转录无关的振荡器分子的组成、它们与核心时钟的关系以及它们在生物学上的重要性至今仍未得到解决。
图1： 转录和代谢的昼夜节律变化。a. 主时钟中的经典转录反馈通路。b. 时钟蛋白与细胞特异性增强子结合，与多种表观遗传调控因子和通用转录因子（u-TFs）形成复合物，驱动靶基因的节律性表达。c. 过氧化物酶（PRDX）氧化循环。d.镁离子的积蓄呈节律性。e. 钾离子通过K+/Na+泵的转运呈周期性的，引起膜电导和细胞质电导的昼夜节律。
1.2主时钟控制外围时钟
如上所述的分子振荡器存在于身体的所有细胞中。它们通常被称为外周振荡，赋予组织特异性的昼夜节律，如胃肠器官的解毒、肾脏的尿液生成和心率调节。基因组和蛋白质组表达研究发现，它们是由限速酶和调节因子的节律性mRNA和蛋白质水平驱动的，外周组织中多达40%的基因表现出昼夜节律性。
外周时钟由大脑中的主时钟控制，主时钟利用由时钟基因构成的相同分子机制来产生节律性。主时钟位于下丘脑视交叉上核（SCN），由10000-20000个神经元组成，通过含有黑素的视网膜神经节细胞和视黄醇下丘脑束与外界时间同步。SCN通过多种信号通路，包括内分泌和神经途径，将白天的信息传递给体内的所有其他时钟。这些信号还与控制行为和营养体功能的下丘脑周围脑区同步。通过控制这些有效的多效性轴，SCN到达机体的所有器官和细胞。
具有永久改变生物钟振荡器相位能力的信号称为Zeitgeber（德语中的“时间给予者”）信号，整个过程称为夹带（entrainment）。SCN的主要输出途径是睡眠-觉醒周期的调节。活动周期不可避免地决定了进食和禁食的模式，这种有节奏的进食线索似乎是一个主要的Zeitgeber信号，至少在代谢活跃的组织，如肝脏和脂肪组织（图2a）。因此，进食模式的改变（将进食切换到通常不活动的阶段）使相对于SCN的外围时钟失同步（图2b）。其他可能同步外周振荡的节律，包括褪黑激素分泌周期（受光抑制）、核心体温调节（清晨低谷水平和白天高峰水平）、外周组织的氧传递（活动期间高，休息时低）或循环糖皮质激素产生（活动阶段开始时达到峰值）也受到SCN的驱动。特定Zeitgeber的夹带能力可以是组织特异性的，或者Zeitgeber信号可以作用于许多组织，就像血清反应因子（SRF）的激活一样，血清反应因子广泛由血清蛋白诱导。外周生物钟代谢夹带的机制已经部分解决，并在下面讨论。
图2：光照及进食对生物钟的影响。a.光通过视黄醇-下丘脑束（RHT）进入大脑视交叉上核（SCN）的中央时钟。b. 摄食节律是主要的刺激信号（至少对于代谢组织，例如脂肪组织和肝脏），并且可以使外周组织时钟与视交叉上核和行为节律不同步。
2.细胞生物钟
根据目前的知识，真核生物中自主昼夜节律的最小单位是单个细胞。细胞钟可以产生大多数代谢功能的节律性，而不依赖于身体其他部位产生的节律性系统信号，尽管如此，这些信号对于生物钟的全身同步非常重要。也有新的证据表明，细胞构建块（如蛋白质和脂质）的组成和细胞器的功能遵循昼夜节律。在这里，我们特别讨论最近的研究，这些研究发现线粒体功能和组成具有时钟依赖性调节。
2.1细胞自主代谢节律
在培养细胞中发现自我维持的昼夜节律振荡为研究昼夜节律功能的实验打开了大门，而不受细胞外环境、周围组织或其他组织的影响。最近对培养细胞昼夜节律的转录组和代谢组分析显示，所有可量化的代谢产物中有相当一部分（高达28%）是呈节律性的、受时钟控制，且具有细胞类型特异性，包括氨基酸和NAD生物合成途径的中间代谢产物。此外，核心时钟振荡器的遗传变动可以改变代谢节律，反之亦然，支持了培养细胞代谢节律和转录节律耦合的模型。同样，用体外培养的人肌管进行的实验表明，振荡脂质代谢物的比例在肌肉组织和培养的肌管之间是相当的。此外，脂质谱与参与其生物合成的基因转录谱相关，并在核心时钟中断时明显减少，这为时钟驱动代谢节律的维持提供了证据。除代谢物外，自噬是一种分解代谢过程，例如在饥饿时分解大分子，从而为合成代谢途径提供新的构建块并支持细胞存活，已被证明是一种节律性细胞自主过程，也受昼夜节律的控制。
2.2 线粒体的昼夜控制
线粒体是真核细胞的能量来源。线粒体除了参与ATP的生成外，还参与脂质生物合成、钙稳态和细胞凋亡等基本细胞过程。由于线粒体在生长和稳态中的广泛作用，线粒体功能障碍与包括肌病、神经病变和心血管疾病在内的严重疾病有关。虽然生理代谢调控的各个方面已经在细胞水平上得到了广泛的研究，但我们对亚细胞的时钟依赖过程包括线粒体的生理调控的认识才刚刚起步。然而，最近的证据支持线粒体含量、动力学和功能（如呼吸和ATP生成）中存在每日节律，从而表明昼夜节律与细胞器代谢之间存在广泛的相互作用（图3）。
功能丧失研究表明，时钟基因调节多种线粒体功能。全细胞或分离线粒体耗氧率（OCR）可用于评估线粒体营养利用和呼吸作用，并在不同实验下对野生型和时钟基因缺陷小鼠进行比较。从敲除Bmal1基因的基因小鼠分类出线粒体，肝特异性Bmal1基因敲除小鼠、Per1和Per2基因双敲除小鼠的肝脏中分离出的线粒体显示出低于各自野生型小鼠的耗氧率（图3）。在Bmal1基因敲除小鼠中，脂肪酸氧化减少，线粒体脂肪酸组成及其代谢依赖于Bmal1（图3）。同样，在光期分离的肝细胞依赖于Bmal1，呼吸速率比在暗期分离出的肝细胞加快。此外，肝脏特异性Bmal1基因敲除小鼠的线粒体更大、更圆，并且它们在一天中保持相似的形态，而野生型线粒体在白天和夜间之间的形态呈现周期性变化。考虑到裂变和融合调节线粒体功能，并且在破碎的线粒体中呼吸效率较低，Bmal1基因敲除动物模型线粒体的形态学变化支持观察到的线粒体呼吸功能变化。线粒体形态对时钟基因的依赖性在小鼠骨骼肌和心脏中得到了证实，并与这些器官在时钟扰动下线粒体功能受损有关。因此，这些裂变和融合的循环、能量产生的节律由动态蛋白相关蛋白1（DRP1）调节，DRP1是裂变的关键介质（图3）。值得注意的是，DRP1的活性是由磷酸化介导的，磷酸化以昼夜节律的方式发生，驱动线粒体网络断裂。反过来，线粒体裂变的抑制消除了昼夜ATP的产生，并反馈给核心昼夜节律振荡器来调节昼夜节律。值得注意的是，线粒体的总数是恒定的，与时钟基因无关。
进一步的证据表明，线粒体功能受昼夜节律时钟的调节，是根据对培养的同步肌肉细胞的测量得出的结论，这些细胞在大约24小时的周期内表现出耗氧量的周期性变化。此外，从老鼠体内分离出来的线粒体对营养物质利用，在一天内不同时间均有所不同。在某些脂肪酸的存在下，例如棕榈酰肉碱，线粒体表现出有节律的呼吸，在从活跃期到静止期的过渡过程中达到峰值，这可能是由于肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）的同步节律性，而CPT1是线粒体脂肪酸摄取的限速酶（图3）。丙酮酸的利用亦呈节律性，但在休息阶段后期达到高峰，可能是通过节律性丙酮酸脱氢酶（PDH）水平和/或磷酸化来调节其活性（图3）。
值得注意的是，营养类型（例如，普通食物和高脂饮食）和进食时间控制着线粒体呼吸节律，每个参数都不同程度地影响着关键线粒体酶的振荡和它们各自的底物利用率。总而言之，这些研究表明线粒体呼吸具有昼夜节律性，这种节律性是由分子振荡器、摄食时间和饮食结构调整的。
脂质决定线粒体膜的物理性质并确定其蛋白质组成。此外，它们是线粒体呼吸的主要能量来源，线粒体中合成了多种脂质。从小鼠肝脏分离出的线粒体的高通量脂质体分析显示，线粒体中的脂质约有三分之一呈昼夜节律性变化。与呼吸的节律性相似，脂质的组成和分期亦呈节律性，依赖于昼夜节律和摄食时间。在随意喂养的小鼠中，大多数线粒体脂质在光相和暗相之间的过渡期（小鼠中处于非活动期和活动期之间的过渡期）达到峰值水平，而仅将食物消耗限制在暗相则会逆转这些节律变化。此外，在缺乏PER1和PER2的动物中，线粒体相关的脂质振荡在没有明显相位的情况下表现出宽范围的峰值时间，证实了昼夜节律时钟在线粒体脂质积聚协调中的作用（图3）。
全肝蛋白质组和分离线粒体的蛋白质组分析显示线粒体蛋白质组存在广泛的昼夜变化。超过三分之一的线粒体蛋白质表现出每日节律性，其中大多数在早上达到峰值。线粒体分解代谢和氧化功能中的几种限速酶呈节律性变化，使线粒体能够以一种依赖于日光的方式利用各种营养物质（如碳水化合物和脂肪酸）。虽然在时钟基因突变小鼠体内，一些核编码线粒体蛋白的转录水平被解除调控，BMAL1与其启动子结合，但整体分析显示线粒体蛋白组与其各自的转录组之间的相关性很弱，证实转录后机制在线粒体昼夜节律控制中的重要作用。事实上，已经证明翻译后修饰严重影响线粒体的动力学和功能。对小鼠肝脏进行的一项整体乙酰基组分析显示，许多线粒体蛋白质的乙酰化状态每天都有变化，Krebs循环中的CLOCK依赖性乙酰化位点和谷胱甘肽代谢酶都有所增加。此外，许多线粒体蛋白的乙酰化状态在Bmal1基因敲除小鼠中发生了改变。因此，线粒体蛋白乙酰化似乎受到昼夜节律时钟的控制，这就提出了一个问题：翻译后修饰，如磷酸化，是否同样具有节律性？（图3）
图3：线粒体的昼夜节律调控。
3.器官中的昼夜代谢
几乎在身体的每一个细胞中都有昼夜节律时钟，因此在大多数器官中都发现了代谢的节律性调节就不足为奇了。肾脏中几乎40%的基因都有节律性表达，这一比例只有肝脏中的基因才能与之匹敌，因为肝脏是迄今为止节律性最强的组织。一般来说，生物钟调节着每个器官中一些最突出的生理功能。例如，在肾脏中，生物钟调节血液流量、肾小球滤过率及水电解质的排泄，这在很大程度上是由膜转运蛋白的节律性表达控制的。在胰腺中，胰岛素和胰高血糖素的分泌受昼夜节律的控制；而在肌肉中，呼吸和自噬过程（在高代谢组织中，这两个过程分别能产生强大的能量并维持细胞内稳态和蛋白质平衡）则遵循昼夜节律。同样重要的是外周组织中激素和其他活性分子的节律性合成和分泌，与机体其他器官实现器官间交互作用。表1展示了生物钟调控激素及其主要功能的例子。此外，胃肠道与微生物群密切合作，发挥所有代谢和内分泌功能，微生物群的组成也遵循与宿主生物钟同步的昼夜节律。
表1：激素与血气对昼夜节律的调控
葡萄糖代谢还受核受体REV-ERBAα的调控。近年来，REV-ERBAα62已成为肝脏昼夜节律和代谢调节之间的核心时钟组件和中央调节器。REV-ERBAα在核心振荡器的一个臂中通过依赖于时钟-BMAL1的转录激活呈节奏性表达（图1a）。它通过与RORα和RORγ竞争结合时钟基因启动子中的RORE和revDr2，反馈核心时钟基因的表达。值得注意的是，REV-ERBAα代谢输出功能的转录调控在很大程度上与其DNA结合活性无关。相反，节律性表达的REV-ERBAα与肝特异性转录因子肝细胞核因子4α（HNF4α）或HNF6在其各自的靶基因启动子结合位点相关联，并使用组蛋白脱乙酰基酶3（HDAC3）和其他共抑制因子来调节代谢基因的转录，例如，脂肪酸延伸酶5（ELOVL5）或酰基辅酶a合成酶短链家族成员3（ACSS3）。在脂质代谢中，REV-ERBAα和HDAC3与脂质合成基因的协同结合是防止肝脏脂肪变性的关键，通过限制进食时脂质生物合成和有毒脂质积累。REV-ERBAα和HDAC3还调节1-酰基甘油-3-磷酸酰基转移酶（AGPAT）和磷脂酸磷酸酶脂质（LPIN）的表达，这是甘油-3-磷酸途径中调控甘油和脂质代谢以及甘油三酯在肝脏中积聚的酶。此外，REV-ERBAα和胰岛素诱导的LPIN磷酸化均调控转录因子SREBF（sterol regulatory element binding transcription factor 甾醇调节元件结合转录因子）的活性，SREBP是胆固醇代谢的中心调节因子。REV-ERBAα在骨骼肌细胞中也高度表达，调节线粒体功能和自噬。有趣的是，REV-ERBAα与血红素结合，其拮抗剂RORα和RORγ对胆固醇有很高的亲和力（图4b），表明在代谢的昼夜调节中存在广泛的蛋白质-代谢物相互作用网络。除了REV-ERBAα、REV-ERBAβ、RORα和RORγ是核心时钟机制的一部分外，几乎过半的核受体在肝脏中呈节奏性表达。这些受体，例如过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）和过氧化物酶体增殖物激活受体-γ联合激活剂1α（PGC1α），通过与核心时钟转录因子PER2、CRY1和CRY2一致的基因表达程序的调节，或通过蛋白质与核心时钟转录因子的相互作用，或通过共同调节基因表达程序，来塑造代谢模式（图4b）。
4.全身代谢节律
在全身水平上，细胞和组织的营养和氧气供应由于在活动期（强烈吸收）和休息期（减少或不吸收营养）的吸收量不同而呈现出昼夜波动。昼夜节律系统通过驱动代谢产物和血气进入外周器官细胞的节律性摄取和释放机制来缓冲这些波动，同时利用系统代谢产物和血气水平作为外周时钟的基准。
4.1系统代谢物水平的昼夜调控
日间行为节律性的一个直接结果是血液中的营养物质流量根据一天中的时间变化而发生变化。显而易见，食物主要是在活动阶段消耗的，小鼠和人类在活动阶段分别摄入80%和（理想情况下）100%的食物；而在休息阶段利用内部能量储存补充不断下降的营养水平。因此，大多数中间代谢物的水平，包括葡萄糖、氨基酸和脂质，在清醒和活动期间峰值水平之间在血液中振荡。由于这些振荡与环境时间同步，我们的身体利用细胞代谢产物吸收和释放的时钟控制机制来与环境输入保持一致，并缓冲过度的波动以避免对身体产生损害性影响。在这里，血糖水平的昼夜调节再次强调了生物钟不仅对细胞葡萄糖代谢的重要性，而且对于不同器官（主要是下丘脑、肝脏、胰腺和骨骼肌）中的生物钟协同作用控制葡萄糖稳态的复杂机制的重要性。SCN是昼夜血糖波动的主要驱动因素，它将食物摄取安排在活动阶段（图2）。在这些相对营养丰富的时期，肌肉和肝细胞通过胰岛素依赖性转运蛋白摄取葡萄糖，即GLUT4（也称为SLC2A4）和GLUT2（也称为SLC2A2），它们的表达由生物钟共同调节。休息期禁食的低血糖水平通过肝脏的昼夜葡萄糖分泌得到补充，这是由GLUT2的时钟依赖性表达介导的，GLUT2在休息（禁食）期达到峰值。胰腺通过依赖于生物钟的节律性分泌胰岛素和胰高血糖素，支持基于转运体的葡萄糖摄取和从组织中释放的调节，这与外周组织中受生物钟调节的节律性胰岛素敏感性和胰岛素信号转导相平行（图4a）。因此，在不同器官中，生物钟控制的摄取和释放过程的相互作用最终维持了全天的血糖稳态。
血糖水平的调节表明了系统昼夜节律调节的复杂性，以及多个生物钟在不同器官协同工作以维持系统内稳态的常用原理。因此，这些概念是否也适用于其他血液代谢物，例如氨基酸和脂质的水平？我们对葡萄糖以外的代谢物的昼夜系统调节知之甚少，也无法通过组织特异性敲除以确定单个器官在这些过程中的作用。然而，众所周知的是，谷氨酰胺从骨骼肌中大量释放出来，作为其他组织的系统燃料。由于谷氨酰胺合成酶的昼夜节律，谷氨酰胺的合成似乎是有节律的。类似的，各种细胞外脂肪酶都呈节律性表达，并且应该促进脂蛋白颗粒中脂肪酸的昼夜动员，以促进细胞摄取。
4.2 血气的节律性
5.代谢平衡中的昼夜节律
睡眠是代谢主开关，睡眠-觉醒周期的调节是昼夜节律生物钟对全身进行代谢控制的最有力手段。在动物模型和人体模型中，生物钟基因被证明可以调节睡眠周期的时间、质量和持续时间。哺乳动物的睡眠周期由两个部分调节：随着持续清醒而增加的对睡眠的稳态驱动，以及与太阳活动相一致的昼夜钟。白天依赖的睡眠调节觉得了生物体的时间生态位。首先，将活动和休息阶段与有限的有利时间窗口对齐减少了遇到猎物和躲避捕食者的机会。其次，从新陈代谢的角度来看，睡眠和清醒之间的能量分配有很大的不同。对人类的研究表明，睡眠时的能量消耗减少到清醒时能量消耗的三分之二，尽管睡眠阶段导致的总能量消耗仅减少约562 kJ（~134 kcal），但整体节省的能量（主要是运动过程中的能量）可以重新分配给免疫功能、突触可塑性、糖原储存以保护机体、组织再生、适应环境、合成代谢等。最后，睡眠和觉醒的节律必然决定进食和禁食的节律，从而通过营养水平和各种相关参数（如能量利用率和氧化还原水平）在外周组织中设置时钟（图2）。下一节将讨论外围夹带的分子机制。
6.代谢对生物钟的反馈
有充分的证据表明，新陈代谢调节不仅仅是生物钟的输出功能。代谢参数也是昼夜节律振荡的有效调节器，这种反馈调节的新机制指向小代谢物与其细胞结合伙伴之间的相互作用，这些通常被称为代谢传感器蛋白，它们能感知营养物、能量和氧化还原水平的变化，并相应地修改基因表达程序。
全身代谢物对外周振荡的反馈是器官昼夜节律调节的标志。许多循环营养素和激素，如葡萄糖、氨基酸、胰岛素、胰高血糖素、糖皮质激素等等，都具有调节能力。此外，除葡萄糖外，细胞能量产生的两种最丰富的循环营养素，即谷氨酰胺和乳酸，已与昼夜节律时钟控制的反馈信号通路联系起来（图4b）。葡萄糖和谷氨酰胺通过己糖胺途径转化为尿苷二磷酸N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc），后者是O-β-D-nactylglucosamine（O-GlcNAc）共价修饰蛋白质的底物。BMAL1、CLOCK和PER2的O-glcnacylization调节其转录活性和稳定性，并影响其夹带和昼夜节律时钟的周期长度。乳酸是组织中代谢通量最高的代谢物，向细胞中添加乳酸可刺激NPAS2-BMAL1活性（图4b）。有趣的是，在禁食期间，乳酸流量增加了2.5倍，因此，乳酸是一种强而有力的血清代谢物，用于调节摄食节律对外周时钟的影响。
进一步的研究表明，在生理范围内的氧节律以HIF1α依赖的方式使细胞间的生物钟同步。此外，有研究表明，环境氧水平的靶向调节加速了小鼠对时差反应的适应，表明氧感应在调节昼夜节律中的作用。HIF1α的激活增加了培养的肌管的昼夜周期长度，并且这种效应似乎是，至少部分是，基于HIF1α和核心时钟蛋白BMAL1之间的生理相互作用，这也反映在全基因组协同DNA上HIF1α和BMAL1与BMAL1靶向的基因启动子的结合（图4b）。另一种血气，一氧化碳，主要是在细胞内产生的一种血色素降解副产品。一氧化碳生成酶血红素加氧酶的节律性活性是生物钟正常工作所必需的，而它的缺失则导致生物钟控制的基因转录被解除，葡萄糖代谢受到干扰。一氧化碳通过减弱时钟CLOCK-BMAL1复合物与DNA的结合来调节BMAL1的转录活性（图4b）。此外，血色素作为NPAS2（BMAL1二聚体的替代物）的修复体，一氧化碳与血红素结合组织形成具有转录活性的NPAS2-BMAL1异二聚体，有利于减少BMAL1-BMAL1同二聚体的形成（图4b）。因此，气态一氧化物与生物钟之间的相互作用得到了很好的证实，甚至可能具有治疗潜力。最近的一份报告显示，一氧化碳PER2的升高，在缺血再灌注损伤中具有保护作用。
6.2 代谢物作为细胞振荡器的反馈信号
细胞似乎拥有多种分子反馈机制，将其昼夜节律与其代谢状态联系起来。全基因组RNAi筛选培养的人类细胞中昼夜节律时钟的调节因子，确定了影响核心时钟振荡器的各种代谢基因，包括胰岛素和叶酸代谢成分，这表明代谢在昼夜节律时钟控制中的深度整合。下面讨论细胞代谢物及其相关过程，这些过程已被证明为昼夜节律时钟提供反馈。值得注意的是，这些例子可能只是代谢物介导的时钟调节的冰山一角，可以想象，代谢物及其相应的代谢传感器蛋白参与了这种复杂的交互作用。
细胞氧化还原水平反映在NAD和FAD的还原氧化比率上，NAD和FAD是许多调节核心振荡器功能的蛋白质的辅因子。例如，SIRT1和PARP1在转录调控中分别使用NAD作为脱乙酰化和聚ADP核糖化的辅助因子。由于烟酰胺磷酸核糖基转移酶（NAMPT）依赖的NAD补救途径的昼夜活动，NAD水平本身是有节律的，在各种时钟基因敲除模型中氧化还原稳态的破坏与神经变性和衰老有关。而SIRT1的表达和/或活性呈节律性，PARP1蛋白水平为非节律性的，细胞自主节律的PARP1活性是由一个尚未确定的机制所驱动的。PARP1通过CLOCK的聚ADP-核糖基化（poly-ADP-ribosylation）调节生物钟的相位重置，从而减弱CLOCK-BMAL1与DNA的结合（图4b）。此外，PARP1还驱动染色质与调节昼夜基因表达的核膜相互作用的昼夜变化。SIRT1通过组蛋白、BMAL1、PER2和MLL1的节律性脱乙酰化来调节生物钟，与CLOCK相互作用并促进染色质在依赖于时钟的启动子处的可接近性（图4b）。此外，SIRT1通过与PPARα127、PGC1α128和CREB调节转录辅激活因子2（CRTC2）的相互作用来驱动特定的代谢程序。此外，FAD及其生物合成酶核黄素激酶（RFK）的水平在细胞核中具有节律性，并调节CRY蛋白的稳定性（图4b）。实验诱导的低水平FAD改变肝脏中CRY的数量，并在葡萄糖稳态波动中重新编程代谢基因表达。细胞氧化还原水平也受磷酸戊糖途径的影响，磷酸戊糖途径产生NADPH，NADPH是合成代谢反应的重要电子载体。抑制磷酸戊糖途径可通过CLOCK-BMAL1与靶基因结合和依赖于p300的组蛋白乙酰化以延长昼夜节律振荡周期。
细胞能量主要以三磷酸核苷的形式储存。AMP-活化蛋白激酶（AMPK）是一种有效的合成代谢途径抑制剂，通过诱导PER和CRY蛋白的磷酸化和降解来测量ATP与AMP的比率，并使生物钟功能适应能量水平的变化。由AMPK直接发生CRY磷酸化，而PER磷酸化由酪蛋白激酶1（CK1δ和CK1ε）介导，其活性由AMPK诱导（图4b）。AMPK还促进SIRT1的活性。此外，AMPK直接感知葡萄糖水平，这也是能量状态的一种节律性测量。
代谢产物乙酰辅酶A是另一种进化上保守的能量传感器，它连接碳水化合物、脂肪和氨基酸的代谢。在哺乳动物中，基因表达受组蛋白乙酰化水平的影响，所需的乙酰辅酶A来源于乙酰辅酶A产生酶ATP-柠檬酸裂解酶和乙酰辅酶A合成酶的细胞质和核池。乙酰辅酶A作为组蛋白和非组蛋白乙酰化的底物调节转录和转录后，这种翻译后修饰调节酶水平和活性。这一机制通过乙酰辅酶A合成酶的SIRT1依赖性节律性去乙酰化与生物钟相连，促进乙酰辅酶A的合成。重要的是，核心振子机制的基本步骤由组蛋白和时钟蛋白的乙酰化和去乙酰化调节（图4b）：组蛋白的乙酰化和去乙酰化周期调节PER和CRY基因的表达，而在时钟蛋白水平上，乙酰化可促进其活性（如BMAL1）或稳定性（如PER2）。有趣的是，CLOCK本身具有乙酰转移酶活性，这是由BMAL1刺激的，进一步强调了乙酰化在调节基因表达的昼夜振荡中的重要性。
最后，我们强调了多胺的时钟调节作用。多胺的多功能小分子类可在饮食中摄取并从头合成或由肠道微生物群合成。多胺水平表现出昼夜节律性，进而改变培养细胞和小鼠的昼夜节律，很可能是通过调节PER2和CRY1抑制剂之间的相互作用（图4b）。值得注意的是，在老年小鼠的饮食中补充多胺（如亚精胺）能够使其生物钟恢复活力，并将生物钟周期缩短到幼鼠的长度，这表明了对衰老相关生物钟功能衰退进行营养干预的可能性。
图4：葡萄糖在细胞水平的昼夜代谢节律及对细胞生物钟的反馈。a. 葡萄糖代谢是外周代谢昼夜调节的一个例子。b. 代谢输出多种信号到核心时钟基因调控。
7. 代谢异常的生物钟
7.1 生物钟的扰动会导致营养物质处理不当和代谢疾病
不同器官的昼夜节律系统的破坏导致许多与营养代谢紊乱相关的表型。SCN损伤的小鼠完全缺乏血糖和胰岛素的每日节律变化，而肝脏特异性昼夜节律紊乱的小鼠无法适当缓冲由SCN介导的进食周期引起的昼夜血糖波动。肌肉特异性敲除Bmal1导致葡萄糖摄取受损，靶向缺失胰腺时钟导致空腹血糖升高和葡萄糖不耐受。全身时钟功能丧失（例如，Clock或Bmal1敲除动物模型中）导致高血糖、葡萄糖不耐受，最终导致肥胖和代谢综合征。人类的轮班工作不可避免地与生物钟与自然昼夜周期脱钩有关，对营养代谢有多重不利影响。它会引起血脂谱的改变，包括胆固醇和低密度脂蛋白水平的升高，以及餐后胰岛素、血糖和血脂水平的升高。因此，轮班工人罹患2型糖尿病和心血管疾病的风险明显较高。
此外，整个胃肠道都受到昼夜节律时钟的控制。时差或轮班工作引起的昼夜节律紊乱主要表现为胃肠不适。长期破坏这些组织的生物钟可能导致严重的疾病，如结直肠癌或代谢综合征。
7.2 睡眠障碍和代谢疾病。
睡眠时间的减少和增加以及睡眠质量的降低都会扰乱内分泌系统，并与胰岛素抵抗、2型糖尿病和肥胖有密切关系。睡眠剥夺与昼夜节律失调（例如，在轮班工作期间，意味着外部时间和昼夜节律时间之间的差异）在实验上证实与静息代谢率降低和餐后血糖浓度增加有关。尽管睡眠期间能量需求较低，但睡眠剥夺也会降低瘦素，升高胃饥饿素，提高饥饿感。
瘦素和胃饥饿素是代谢的有力调节剂，它们本身受生物钟控制。毫不奇怪，环境导致的昼夜节律紊乱，如慢性时差，会导致肥胖，各种联系集中在瘦素抵抗上。此外，一种先天性的睡眠节律紊乱，家族性晚期睡眠期综合征，是由编码CK1δ、PER2或CRY2的时钟基因突变引起的，使受影响的个体想在傍晚时分睡觉，半夜起床，几乎使他们无法进行正常的社交生活。同样，CRY1的特异性突变也可能产生相反的效果，导致延迟睡眠期紊乱。更重要的是，被迫调整到一个正常的节奏，人类这些昼夜生理系统与其他睡眠-觉醒周期紊乱是持续与环境不同步。这种持续的、基于基因的内外时间失调被称为“社会时差”，与代谢疾病和肥胖有关。
结论
如今对昼夜节律的代谢研究迅速增加，几乎涵盖了代谢的方方面面。事实上，近年来这一领域的实质性进展已经允许开发针对昼夜节律系统的小分子药物，其目的是逆转不良代谢变化或调节现有药物的活性，这些药物的活性和稳定性往往受到昼夜节律系统的重大影响。未来的研究有望进一步巩固代谢途径和生物钟的相互整合，通过研究二者相互作用的潜在分子机制，增加与生物钟节律交叉的代谢途径和过程的种类，并采用新的基因、药理和环境模型，以解决昼夜代谢紊乱的病理后果。
哺乳动物时钟基因的中断导致代谢相关的发病率和死亡率增加，这是一个公认的事实。然而，不幸的是，绝大多数的研究仅仅证明了单个时钟基因对所研究的表型的重要性，并没有解决疾病状态是否是由一般生理时钟功能的干扰引起的问题。因此，许多由与时钟相关的转录因子控制的过程很可能仅仅依赖于这些调控因子，而不依赖于它们在核心时钟电路中的功能。在一些情况下，使用缺乏多个时钟基因的动物模型，即正（例如，Bmal1或Clock）和负（例如，Cry1，Cry 2，Per1，Per2）昼夜节律电路中的功能丧失模型，支持昼夜节律时钟本身的作用，而不是特定转录因子的作用。然而，即使是这样的方法也不能总是明确区分二者，因为核心时钟转录因子水平是相互依赖的。解决这一问题的最佳策略似乎是共振实验。如果昼夜节律振荡器是为了预测生物体在每日明暗周期中的代谢需要而进化的，那么它们的周期长度τ应该大致与明暗周期（即所谓的“T周期”）的周期一致。如果τ和T的不一致影响生物体的健康状态，那么导致表型的出现必然是因为生物钟与环境节律的相互作用，而不是生物钟基因本身的突变。这些分析已经在不同的蓝藻菌株和植物上成功地进行了，将类似的研究扩展到包括哺乳动物在内的其他动物的时机已经成熟。这样的实验也可能为大家熟悉的观念提供证据，即新陈代谢的时间安排对细胞有利，因为它们的资源有限，而将所有生理机制维持在一个恒定的高水平将导致能量的浪费。
正如本文讨论的，许多系统生理功能不是由单个器官完成的，而是由不同组织的不同输入和输出所产生的。因此，解剖所有个体器官中生物钟的贡献对于理解生物钟系统对代谢途径的整体控制是必需的。建立新的组织特异性、缺乏时钟的小鼠模型是实现这一目标的必要步骤。
最后，对代谢控制的昼夜观不仅对时间生物学专家，而且对在代谢和生理学方面具有核心能力的研究人员都是有价值的，因为采取这种独特的观点可能会暴露代谢调节的许多方面。许多没有考虑昼夜节律因素的代谢途径研究，一旦以一天一次的方式进行，很可能会揭示许多新的信息。
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原文网址：https://doi.org/10.1038/s41580-018-0096-9