Science + Cell子刊：大脑生物钟和外周生物钟之间的同步，可预防衰老，维持肌肉和皮肤正常生理功能

导读

这两项研究揭示了共同的生物钟机制，强调了中枢生物钟与外周生物钟的协同作用对维持肌肉和皮肤的正常功能具有关键作用。

来源：“生物世界”微信公众号

作者：nagashi

日升月落，晨昏交替，这些自然节律深刻影响着地球生命，形成了昼夜节律，即俗称的生物钟。生物钟最早于1970年代发现，是生物为了适应地球自转产生的昼夜更替而形成的一种节律性生命活动，这个无形的“时钟”精密地调控着人体细胞的生物时间，使细胞功能与环境的日常变化同步，发挥着至关重要的生理功能。

值得一提的是，人体的生物钟并不只有一个。近日，西班牙庞培法布拉大学（UPF）和巴塞罗那生物医学研究所（IRB Barcelona）的科学家们在 Science 和 Cell Stem Cell 期刊上同时发表两篇互补的研究论文。

这两项研究共同揭示了中枢生物钟/外周生物钟的同步和协调作用，以调节皮肤和肌肉的每日活动。两个生物钟（中枢和外周）之间的协同作用保证了50%的组织昼夜节律功能，包括细胞周期、DNA修复、线粒体活性和代谢等重要过程。

不仅如此，中枢生物钟和外周生物钟之间的协同作用可以防止肌肉衰老并改善肌肉功能，提示了通过昼夜节律调节来解决年龄相关身体功能衰退的新策略。

人体的神经系统分为中枢神经系统（大脑和脊髓）和周围神经系统。与此相类似，大脑中存在一个中枢生物钟调节人体的昼夜节律，该生物钟与不同组织中的外周生物钟通讯，影响许多生理功能，包括睡眠模式、食物消化等等。

因此，探究中枢生物钟和外周生物钟之间如何同步和协调，可以更深入地揭示生物钟、中枢神经系统和组织细胞之间的协同作用，以及生物钟如何确保组织的正常功能以及预防与衰老相关的功能衰退过程。

在发表于 Science 的研究中，研究团队首先发现缺乏生物钟成分Bmal1的小鼠不仅表现出节律紊乱，还表现出过早衰老和肌肉萎缩。为了探索大脑中枢时钟和外周时钟在肌肉中的具体作用，研究团队通过在大脑、骨骼肌中靶向表达Bmal1来恢复生物钟功能。

研究团队观察到，在小鼠模型中，恢复昼夜节律可以减少肌肉质量和力量的损失，从而改善因衰老而逐渐退化的运动功能。其中，同时恢复中枢生物钟和外周生物钟的小鼠改善程度最佳。这证实了大脑与肌肉之间的生物钟交流，并且大脑的中枢生物钟与肌肉的外周生物钟之间的同步对于维持日常肌肉功能和防止肌肉组织过早衰老至关重要。

Science研究模式图

研究结果还表明，限时进食（TRF），这是一种把进食时间限制在一天特定时间窗口内（6-12小时）的饮食模式，可以部分取代中枢生物钟，增强肌肉生物钟的自主性。更重要的是，通过限时进食恢复昼夜节律可以减轻老年小鼠的肌肉力量、代谢能力和运动功能的退化。这一发现对开发针对肌肉衰老的疗法和提高老年人身体机能具有重要意义。

进食-禁食节律可以防止与年龄相关的生理昼夜节律重编程，并恢复肌肉功能障碍

在发表于 Cell Stem Cell 的研究中，研究团队构建了一个仅包含两个节点的小鼠最小生物钟相互作用网络——表皮外周生物钟和大脑中枢生物钟。通过对这种孤立连接的生物钟网络的转录组学和功能表征，研究探索确定了外周生物钟在系统输入方面的守门人功能。

研究团队证明皮肤组织的外周生物钟可以整合甚至颠覆来自大脑中枢生物钟的信号，以确保表皮组织的正常生物节律。这一协调作用在皮肤组织的日常生理机能方面起着关键作用——通过整合大脑信号，有时修改它们，以此确保了皮肤的正常运作。

Cell Stem Cell研究模式图

令人惊讶的是，在没有外周生物钟的情况下，中枢生物钟可以维持皮肤组织的昼夜节律，但这一节律与正常节律恰恰相反！例如，研究团队观察到，如果只受中枢生物钟的调节，皮肤细胞的DNA复制将发生在白天，这将增加积累突变的风险，因为在白天皮肤很容易暴露于紫外线辐射。

这一现象凸显了外周生物钟的重要性，它不仅仅接收来自协调整个生物体节律的中枢生物钟信号，还会根据所在组织的特定需要调整或修改这些信号。此外，这项工作还描述了外周生物钟具有显著的“自治能力”，它可以在没有中枢生物钟的情况下维持24小时周期并管理大约15%的昼夜节律功能。

大脑中枢生物钟通讯确保在持续的黑暗中强健的日常表皮生理活动

总的来说，Science 研究揭示了中枢生物钟和外周生物钟的同步，Cell Stem Cell 研究揭示了中枢生物钟和外周生物钟的协调。这两项研究揭示了共同的生物钟机制，强调了中枢生物钟与外周生物钟的协同作用对维持肌肉和皮肤的正常功能具有关键作用。

这两项研究还表明，只需要两个生物钟（一个是中枢生物钟，另一个是外周生物钟）之间的最小相互作用，就能保持肌肉和皮肤等组织的最佳功能，避免它们的退化和衰老。据悉，研究团队计划下一步确定参与这种相互作用的信号因子，以促进相关治疗应用的开发。

论文链接：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8533

2.https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(24)00140-1

责编｜亦一

封面图来源｜视觉中国

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