潮起潮落----磷酸化修饰对生物节律的控制

景杰编者按：2017年的诺贝尔生理学或医学奖由三位研究生物钟的科学家获得，以表彰他们对生物节律控制奥秘的探索。生物钟，作为生物体内一种无形的时钟，控制着生物体内几乎全部的代谢过程，并且其自身会不断优化以保证生物体的稳态和代谢健康。生物钟节律的紊乱会导致一系列的疾病，如糖尿病、肥胖和代谢疾病。对于生物节律调节机制的研究，大都集中在基因组和转录组水平，鲜有涉及蛋白组和蛋白修饰的研究。日前来自欧洲的研究人员利用基于质谱的蛋白组学技术在蛋白组水平对生物节律进行了研究，此外还证实了蛋白质的磷酸化修饰对生物节律关键信号途径调节中的作用，保证生物更快速、更经济有效地对外界环境的变化做出反应。该成果发表在著名的学术期刊Cell Metabolism。景杰生物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修饰组学研究的解决方案，同时还能为您提供高灵敏度的修饰类泛抗体，助力您的研究工作。

关键词：

磷酸化修饰、昼夜节律、蛋白组、代谢途经整合

研究思路与结果

为了研究磷酸化修饰对代谢稳态和生物节律的关键性调节作用，研究人员首先利用label-free的方法研究了两天内不同时期小鼠肝脏组织蛋白磷酸化水平的变化（图1） 。结果发现，25%的磷酸化肽段，40%的磷酸化蛋白，其磷酸化水平出现显著的节奏性波动，并且丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的比例与之前的研究相符。

图1. 小鼠肝脏的昼夜磷酸化组学

时间聚类分析将磷酸化水平周期性变化的蛋白分为两类，白天高表达类和夜间高表达类（图2 A），小鼠分别处于非活跃和活跃状态，PCA分析同样在两个维度上将磷酸化蛋白质分为白天高表达和夜间高表达两类，同时发现磷酸化水平昼夜规律波动的肝脏蛋白显著富集在特定的代谢通路上，如胰岛素相关代谢途径、细胞自噬和昼夜节律相关的代谢途径（图2 B），表明在时间维度上，翻译后修饰对这些代谢过程调节起着关键作用。

图2. 小鼠肝脏磷酸化蛋白组规律性波动

A 规律波动磷酸化蛋白的分层聚类分析

B 磷酸化蛋白的KEGG通路富集散点图

稍后发现磷酸化修饰组和蛋白组在一天之内的不同时期表达水平差异很大（图3），磷酸化修饰组的表达差异更大，一天之内出现约5倍的表达差异，显著高于蛋白组变化的水平（图3），同时80%的磷酸化累积强度来自于20 %的磷酸化水平规律变化的蛋白，表明磷酸化水平振动的蛋白为调节蛋白而非结构蛋白。研究人员在CLOCK蛋白上发现了新的磷酸化位点S446和S440/441，其磷酸化水平也出现周期性的变化，由于CLOCK蛋白表达量是恒定的，表明磷酸化水平的变化是调节该蛋白节律功能的主要因素。上述结果均表明节律调控的核心机制为蛋白磷酸化水平的周期性变化。

图3.

图3. 周期变化的磷酸化蛋白的时期分布和变化水平。

A 、B 磷酸化组和全蛋白组一天之内不同时间各自表达水平的玫瑰图；

C 磷酸化组学和全蛋白组差异表达水平分布图

激酶-底物筛选实验发现ERK底物和AKT/mTOR底物磷酸化水平在白天和晚上分别达到峰值，与EGFR-RAS-ERK-RSK级联反应相关的激酶磷酸化水平在白天达到峰值，这些酶多为糖酵解，糖原合成和脂肪合成的限速酶，使得小鼠在食物摄入最少的时候促进糖酵解提供能量，抑制糖原和脂肪的合成。与insulin-AKT-mTOR 级联反应相关酶的磷酸化水平在夜晚达到峰值，此时小鼠活动活跃，营养充足，使得脂肪合成、生长相关的代谢途径比较旺盛。综上表明营养水平影响蛋白磷酸化水平的昼夜节律，蛋白磷酸化水平的昼夜节律进而调节不同代谢过程，又与代谢过程相互作用和影响来调节生物节律，保证生物快速而经济地应对环境变化，保持稳态。

总结：本文首次在磷酸化蛋白组水平上探讨哺乳动物的昼夜节律机制，证明生物通过调节激酶活性控制蛋白磷酸化水平昼夜节律的变化，从而促进相关代谢途径的整合，控制生物的节律。进一步研究蛋白磷酸化水平昼夜变化带来的特定而系统地影响，不仅能够加深生物节律与代谢的交互作用，更能进一步促进生物钟疗法的进步。

参考文献

Maria S. Robles et al. （2017）Phosphorylation Is a Central Mechanism for Circadian Control of Metabolism and Physiology. Cell Metabolism 25, 1–10

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