睡不好觉？Nat Comm | 华中科技大学张珞颖/薛宇团队揭示激酶组调控昼夜节律机制

Original 景杰学术精准医学与蛋白组学 2022-04-17

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昼夜节律和生物钟是近年来炙手可热的研究领域。生物体经历日夜循环进化出昼夜节律，使适当的细胞生理活动发生在最有利的时机。2017年，美国科学家Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young凭借在分子层面揭示果蝇生物钟所作出的巨大贡献，获得了诺贝尔生理学或医学奖。

生物钟的调节机制在不同物种间高度保守，蛋白激酶对时钟蛋白的磷酸化调控决定了时钟运转速度，构成了昼夜节律的分子基础。近年研究发现约1/4能检测到的磷酸化位点都存在昼夜节律，证明了磷酸化这种节律性的变化不光存在于少数时钟蛋白上，而是广泛存在于蛋白质组中。磷酸化的这种节律性变化的生物学功能与调控机制，仍是现代生物学领域的一个未解之谜。

2020年6月1日，华中科技大学生命科学与技术院张珞颖教授和薛宇教授团队在Nature Communications发表题为Integrated omics in Drosophila uncover a circadian kinome的研究论文。研究人员整合果蝇头部转录组、蛋白组和磷酸化组的多组学数据，通过使用开发出的多组学数据整合节律算法iCMod进行分析，深度揭示了蛋白质磷酸化修饰节律性变化调控机制。华中科技大学博士生王晨玮和税珂为论文的第一作者，薛宇教授和张珞颖教授为共同通讯作者，景杰生物为该研究的蛋白组与磷酸化修饰组定量提供技术支持。

为了系统的了解磷酸化的节律性变化，研究者将核心时钟基因缺失突变体果蝇（per⁰）持续黑暗条件下培养2天，野生果蝇（WT）为对照，每隔3h采集果蝇的头部组织样本（样本策略），运用TMT标记的蛋白质组定量技术，和磷酸化修饰组学技术，结合RNA测序技术进行分析（组学策略）。研究共鉴定到6134个蛋白，3295个磷酸化蛋白，和14946个磷酸化位点。

图1、果蝇头部的多组分昼夜节律分析

研究人员采用团队开发出的多组学数据整合节律算法iCMod（integrating circadian multi-omics data）进行分析。结果表明，果蝇头部17%的磷酸化位点（789个）呈现出昼夜节律。在核心钟基因突变的果蝇中这些位点中的绝大多数丧失了节律性，表明这些位点的节律性磷酸化由分子时钟所驱动。

图2、多组学数据整合节律算法iCMod示意图

研究人员进一步运用iCMod预测到27个参与磷酸化这些位点的蛋白激酶，其中包括已知的7个调控果蝇生物钟的重要激酶。剩余的20个激酶中鉴定出3个新的调控果蝇活动节律的激酶。为了解释这10个激酶（包括7个已知的和3个新的）构成的激酶组如何调控分子时钟，研究团队根据已知的和预测的激酶底物关系，构建出调控运动节律的激酶网络。演算结果表明，网络中的核心调控者是一个新的节律激酶GASKET(GSKT)。进一步分子层面分析证实GSKT通过下调时钟蛋白TIMELESS的蛋白水平，实现对生物钟和活动节律的调控。

图3、控制运动节律的激酶网络

综上所述，磷酸化组广泛的节律性变化的生理意义与调控机制存在许多未知，该研究运用蛋白质组、磷酸化修饰组学结合转录组学等系统生物学的手段来研究蛋白质磷酸化的节律，探索它们的功能和调控机制。结果揭示了控制运动节律的激酶网络，鉴定到一个新的节律激酶实GSKT可能是生物钟的核心调控因子。

参考文献

Chenwei Wang., et al., 2020, Integrated omics in Drosophila uncover a circadian kinome. Nature Communications.

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