The Innovation Life | 生物节律与氨基酸代谢：氨基酸饥饿状态下生物钟如何维持正常运转？

导 读

生物钟又称为昼夜节律，是生物生命活动的内在节律性。它对于生物体感受外界环境的周期性变化，并调节本身生理活动步伐，具有重要意义。生物钟紊乱是导致多种疾病的引发因素。氨基酸是细胞重要的营养物质，然而氨基酸代谢如何参与调控生物钟仍有待阐明。最近研究发现，真菌在氨基酸饥饿胁迫情况下，通过激活一般性调控阻遏蛋白2（GCN2）信号通路调控组蛋白乙酰化，从而维持生物钟的正常运作。该研究有助于我们进一步理解不同营养水平下，生物体维持生物钟稳定的分子机制。

图1 在氨基酸饥饿胁迫下，frq基因启动子上CPC-1、SAGA复合体和WCC的调控模式图

正常情况下，生物体的生物钟始终处于一个相对稳定的状态，从而保证生物体生命活动有条不紊的进行。而包括营养胁迫在内的多种压力能够扰乱甚至破坏生物体的节律性行为和生理活动，从而引发一系列疾病²。真核生物中生物钟的正常运转依赖于特定的转录/翻译负反馈回路。在丝状真菌粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）中，这种反馈回路由蓝光受体复合体WCC（White Collar complex）和负调节元件生物钟核心蛋白FRQ构成¹。WCC能够节律性地与基因frq启动子上的c-box结合，激活其转录；而负调节元件FRQ通过酪蛋白激酶I（Casein kinase I, CKI）和酪蛋白激酶II（Casein kinase II, CKII）促进WCC的磷酸化，从而抑制WCC的活性，实现负反馈。氨基酸作为重要的小分子代谢物和信号分子，其含量及代谢信号通路是否调控真菌生物钟系统有待阐明。酵母GCN2（General control nonderepressible 2）的同源蛋白，粗糙脉孢菌中的丝氨酸/苏氨酸激酶CPC-3（Cross-pathway control）在氨基酸饥饿条件下能够上调转录因子CPC-1，从而调节氨基酸的生物合成³。然而，氨基酸饥饿胁迫如何影响生物钟及其分子机制仍不清楚。

近期，刘晓课题组研究发现，在氨基酸饥饿状态下，粗糙脉孢菌通过GCN2信号通路调控组蛋白乙酰化修饰水平，维持生物钟稳定运转⁴。SAGA（Spt-Ada-Gcn5乙酰转移酶）复合体是一种高度保守的应激反应基因的转录共激活因子，其通过催化组蛋白乙酰化影响基因表达，在细胞生长和发育中发挥重要作用。研究发现在粗糙脉孢菌中，转录因子CPC-1在正常情况下的表达维持在基础水平，其通过在在细胞核内与SAGA复合体的组成亚基ADA-2相互作用，并通过ADA-2募集组蛋白乙酰化转移酶GCN-5结合在基因frq的启动子上，维持组蛋白H3的节律性乙酰化。此外，GCN5与WCC之间相互作用，从而使WCC与基因frq的启动子节律性结合，维持基因正常表达。相反，在氨基酸饥饿条件下，组蛋白H3由于组蛋白去乙酰酶HDACs（Histone deacetylases）的激活或组蛋白乙酰转移酶的抑制而保持去乙酰化状态，导致染色质结构致密。然而，GCN2/CPC-3信号通路能够响应氨基酸饥饿压力胁迫，诱导CPC-1的大量表达，并在细胞核内募集更多的SAGA复合体在基因frq的启动子上，升高基因frq的乙酰化修饰，使相关的染色质区域结构松散以维持生物钟功能。此外，研究还发现，在氨基酸饥饿胁迫下，CPC-1能够直接与氨基酸合成基因的启动子结合，调控与氨基酸合成相关基因的节律性表达。

该研究揭示了粗糙脉孢菌GCN2/CPC-3信号通路感应氨基酸饥饿压力胁迫，并通过重塑染色质调控生物钟基因节律性表达的分子机制，证明了氨基酸代谢与生物钟相互调控对于维持细胞内稳态的重要性。

总结与展望

该研究有助于我们理解氨基酸代谢与生物钟相互调控机理对于维持细胞内稳态的重要性。在近期的另一项关于生物钟营养补偿效应的研究中，Kelliher等人以粗糙脉孢菌作为出发菌株，筛选获得了一批生物钟营养补偿缺陷菌株，这为今后深入研究生物钟与营养代谢在分子水平的互作机制铺平了道路⁵。同时，GCN2/CPC-3信号通路是否参与调控生物钟营养补偿值得进一步深入研究。

参考文献

1. Diernfellner, A.C.R., Brunner, M. (2020). Phosphorylation timers in the Neurospora crassa circadian clock. J. Mol. Biol. 432, 3449-3465.

2. Panda, S. (2016). Circadian physiology of metabolism. Science 354, 1008-1015.

3. Sattlegger, E., Hinnebusch, A.G., Barthelmess, I.B. (1998). cpc-3, the Neurospora crassa homologue of yeast GCN2, encodes a polypeptide with juxtaposed eIF2α ki-nase and histidyl-tRNA synthetase-related domains required for general amino acid control. J. Biol. Chem. 273, 20404-20416.

4. Liu, X.L., Yang, Y., Hu, Y., et al. (2023). The nutrient-sensing GCN2 signaling pathway is essential for circadian clock function by regulating histone acetylation under amino acid starvation. eLife 12, e85241.

5. Kelliher, C.M., Stevenson, E.L., Loros, J.J., et al. (2023). Nutritional compensation of the circadian clock is a conserved process influenced by gene expression regulation and mRNA stability. PLoS Biol. 21, e3001961.

责任编辑

陈   飞    海南大学

惠晓艳    香港中文大学

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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-life.2023.100026

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第1卷第2期以Commentary发表的“Fungi employ the GCN2 pathway to maintain the circadian clock under amino acid starvation” (投稿: 2023-06-29；接收: 2023-08-25；在线刊出: 2023-09-01)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2023.100026

引用格式：Li Y., Zhang J., Shen Q.,   et al. (2023). Fungi employ the GCN2 pathway to maintain the circadian clock under amino acid starvation. The Innovation Life 1(2), 100026.

作者简介

于振中，南京农业大学资源与环境科学学院教授、博士生导师，2020年入选国家青年人才项目。主要从事真菌对环境信号响应机制研究，以通讯/第一作者发表文章于Nature Microbiology，Nature Reviews Microbiology，The EMBO Journal，Science Bulletin，mBio, Molecular Microbiology，PLoS Genetics，Environmental Microbiology等杂志上。

邮箱：[e-mail]

网页：https://re.njau.edu.cn/info/1088/11018.htm

李逸凡，南京农业大学资源与环境科学学院钟山青年研究员。主要从事真菌对环境信号响应机制研究，以第一作者发表文章于The Innovation Life, mLife, Environmental Microbiology, Journal of Fungi等杂志上。

邮箱：[e-mail]

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