Science：难以置信！科学家能在试管中重建完整的生物钟并研究它的工作机制

我们生理机理的几乎每一个方面的日周期（daily cycle）都是由我们细胞中的生物钟（biological clock）——也称为昼夜节律钟（circadian clock）驱动的。生物钟蛋白（clock protein）的周期性相互作用使生命的生物节律与白天和黑夜的日周期保持一致，这不仅发生在人类和其他复杂的动物身上，甚至发生在简单的单细胞生物中，如蓝细菌（即蓝藻）。

在一项新的研究中，来自美国加州大学圣克鲁兹分校、加州大学默塞德分校和加州大学圣地亚哥分校的研究人在试管中重建了蓝藻的昼夜节律钟，使他们能够实时研究生物钟蛋白的节律性相互作用，并了解这些相互作用如何使生物钟对基因表达施加控制。相关研究结果发表在2021年10月8日的Science期刊上，论文标题为“Reconstitution of an intact clock reveals mechanisms of circadian timekeeping”。

论文共同通讯作者、加州大学圣克鲁兹分校化学与生物化学教授Carrie Partch说，“从头开始重建像昼夜节律钟这样复杂的生物过程，确实帮助我们了解了生物钟蛋白是如何一起工作的，并将能够更深入地了解昼夜节律。”

Partch指出，从蓝藻到人类，昼夜节律的分子细节都非常相似。拥有一种可以在试管(“体外”)而不是活细胞(“体内”)中研究的功能性生物钟，为探索生物钟的机制以及它如何对变化做出反应提供了一个强大的平台。该团队在活细胞中进行了实验，证实了他们的体外实验结果与活体蓝藻中的生物钟运行方式一致。

论文共同通讯作者、加州大学默塞德分校化学与生物化学教授Andy LiWang说，“这些结果是如此令人惊讶，因为体外的结果与体内观察到的结果有些不一致是很常见的。活细胞的内部是非常复杂的，与体外的简单得多的条件形成鲜明对比。”

这项新研究建立在日本研究人员以前的研究工作---在2005年重建了蓝藻昼夜节律振荡器（circadian oscillator），即生物钟的基本24小时计时回路的基础之上。该昼夜节律振荡器由三种相关蛋白组成：KaiA、KaiB和KaiC。在活细胞中，来自这种昼夜节律振荡器的信号通过其他蛋白传递，以控制昼夜循环中的基因表达。

这种新的体外生物钟除了这三种昼夜节律振荡器蛋白外，还包括两种激酶蛋白（SasA和CikA）以及一种DNA结合蛋白（RpaA）及其DNA靶标。这两种激酶蛋白的活性通过与这种昼夜节律振荡器相互作用而改变。

LiWang解释说，“SasA和CikA分别激活RpaA和使RpaA失活，使其有节律地结合和不结合DNA。在蓝藻中，这种在其基因组中100多个不同位点的有节律的结合和不结合，激活和抑制了许多对健康和生存重要的基因的表达。”

利用荧光标记技术，这些作者能够跟踪所有这些生物钟组分之间的相互作用，因为这整个系统在许多天甚至几周内都伴随着昼夜节律振荡。该系统使得他们能够确定SasA和CikA如何增强这种昼夜节律振荡器的稳健性，从而在KaiABC蛋白本身会停止振荡的条件下保持它的运行。

在体外重建完整的生物钟，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd4453。

这些作者还利用这种体外生物钟系统探索了节律不齐的蓝藻菌株中生物钟中断的遗传根源。他们在RpaA基因中发现了一种导致单个氨基酸变化的突变，该突变降低了该基因所编码蛋白的DNA结合效率。

论文共同作者、加州大学圣地亚哥分校昼夜节律生物学中心主任Susan Golden说，“这种转录因子（即RpaA）中的一个氨基酸变化使得蓝藻细胞失去了基因表达的节律性，即使它的生物钟是完整的。”

她补充说，“这个项目的真正美妙之处在于，来自加州大学三个校区的团队如何聚集在一起，共同解决细胞如何记录时间的问题。积极的合作远远超出了主要研究者的范围，来自不同学科的学生和博士后分享遗传学、结构生物学和生物物理学数据，向彼此解释他们的发现的重要性。跨学科的交流对于这个项目的成功与研究者令人印象深刻的技能同样重要。”