景杰重磅快讯 | 核蛋白组及磷酸化组学精确描绘哺乳动物昼夜节律调控全景图

景杰编者按：最新发表在国际知名期刊Cell Metabolism上的研究文章，通过高通量蛋白质组学技术，分析了小鼠肝脏组织核蛋白表达谱及磷酸化修饰谱，证实一系列核蛋白复合体的蛋白表达水平或磷酸化修饰水平受到昼夜节律动态调控，这些复合体参与了转录调节、DNA损伤修复、核糖体的生物合成、细胞周期、染色体多倍性等多种生物学过程。景杰公司作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，可以为您提供一整套常规蛋白质组学及磷酸化组学研究的解决方案，同时还能为您提供高灵敏度的磷酸化修饰抗体，助力您的研究工作。

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前  言：昼夜节律是一种几乎存在于所有生命系统中的现象，主要表现为代谢、生理、行为等过程以24小时左右为周期的波动。目前针对生物体昼夜节律调控的分子机制研究主要集中在mRNA转录水平，而学术界对于生物体功能更直接的执行者--蛋白质及蛋白质修饰（尤其是调节基因表达、DNA损伤修复、细胞周期等的核蛋白）的昼夜节律调控还知之甚少。本研究运用高通量蛋白质组学技术，成功分析了小鼠肝脏组织核蛋白表达谱及磷酸化修饰谱，获得了前所未有的覆盖率(Coverage)，对研究器官特异性生物学功能的周期节律调控有重要借鉴意义。 

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研究思路和成果：为系统性的研究昼夜节律，研究人员以每3小时为一个节点，连续在2个昼夜交替周期内（2天）共16个节点采集了小鼠的肝脏组织，并通过SILAC定量蛋白质组学技术对小鼠肝脏组织核蛋白组进行了分析，共鉴定到约4800个蛋白，其中大于70%的分子都是已知的核蛋白或核转运相关蛋白，证明了该技术流程的高覆盖率。这其中约13%（522个）的蛋白有节律性的在细胞核内积累，远远超过细胞全蛋白组节律分子的比例，也暗示了昼夜节律蛋白与细胞核生物学功能的密切联系。后续分析发现，只有小部分节律性核蛋白与mRNA周期变化相关联，强调了这种节律性调控主要发生在转录后水平。

为了进一步研究这些节律性核蛋白可能调节的生物学功能，研究人员对由这些分子所组成的功能蛋白复合体的节律性进行了分析，发现在白天高表达的蛋白复合体主要执行转录调控和DNA损伤修复功能，而在夜晚高表达的复合体则主要负责细胞骨架构建，蛋白转运，蛋白水解，蛋白伴随等功能。

文章结合前人的研究，对核糖体的生物学合成和DNA损伤修复蛋白复合体的时间节律性进行了深入分析。99个节律性核蛋白与核糖体的生物学合成相关，与rRNA加工和核糖体前体组装相关的蛋白富集在时间点ZT6（白天授时点后6小时），随着rRNA的合成和成熟，核糖体蛋白的合成在ZT18达到高点。伴随其后的是ZT22左右核糖体在核内完成组装。作为细胞内最为耗能的生物学过程，核糖体的生物学合成很可能受到昼夜节律调控而有序进行，其速率与营养物质和能量水平显著相关。

96个节律性核蛋白与DNA损伤修复相关，这其中大部分蛋白在ZT7与ZT12之间高表达。与前人的发现类似，本研究中DNA的合成和复制主要出现在ZT9，这也表明该时间段内显著升高的DNA损伤修复现象与DNA的复制上调相关。

特别值得一提的是，与昼夜节律调控密切相关的多聚磷酸激酶AMPK和CKII也在核内节律性表达。为了进一步研究蛋白磷酸化修饰的昼夜节律调控及其相关的激酶网络活性，研究人员通过基于SILAC的质谱分析研究了相同样本的磷酸化修饰组。共鉴定到了约4700个磷酸化修饰位点，约1450个被定量，其中11%（154）的位点表现出节律性核表达，在ZT7和ZT21两个时间点显现双峰式分布。有趣的是，64%的节律性磷酸化位点其相应的核蛋白并不具有节律性核分布，也体现了昼夜节律调控的多样性。

文章进一步对转录相关分子的昼夜节律性进行了分析，发现80个转录因子和99个转录共调控子具有显著的节律性核分布。研究人员结合蛋白组学数据对这些转录因子引发的节律性转录反应进行了分析，主要的转录相关蛋白集中分布在ZT6和ZT12之间。另一方面，转录共激活子与共抑制子的节律性核分布呈现互斥性。

文章最后研究了细胞周期调节蛋白的节律性核分布，与G1/S期转换相关的PLK2激酶活性和RB-HDAC复合体分别集中出现在ZT2和ZT4前后；而S期相关节律性蛋白被证实主要出现在ZT6和ZT15之间，这也与前文提到的DNA损伤修复在时空上达成统一。G2期相关蛋白可能出现在ZT16前后，而M期可能发生在夜晚-白天交替时间。这些证据表明细胞周期很可能受到昼夜节律性调控。

综上所述，该研究运用高通量蛋白质组学及磷酸化修饰组学技术，分析了小鼠肝脏中核蛋白表达量及磷酸激酶活性的昼夜节律分布，揭示了包括转录调节、DNA损伤修复、核糖体的生物合成、细胞周期、染色体多倍性在内的多种生物学过程受到昼夜节律调控，也为后续的生物体动态节律研究提供了重要的参考。

参考文献：

Wang et al., Nuclear Proteomics Uncovers Diurnal Regulatory Landscapes in Mouse Liver. Cell Metab. 2017 Jan 10;25(1):102-117.

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