中文字幕理论片,69视频免费在线观看,亚洲成人app,国产1级毛片,刘涛最大尺度戏视频,欧美亚洲美女视频,2021韩国美女仙女屋vip视频

編譯：Mendelsohn，編輯：謝衣、江舜堯。

原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。

代謝是生物體用于轉(zhuǎn)化分子以產(chǎn)生能量和構(gòu)建結(jié)構(gòu)的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。代謝調(diào)節(jié)的基本原理在所有形式的生命中都是高度保守的，代謝控制超越了細胞生理學(xué)的各個方面，從生命的開始到結(jié)束。當細胞在發(fā)育成長、腫瘤發(fā)生、或衰老伴隨著細胞代謝的大規(guī)模重新布線。此外，生物體的代謝需求與代謝能力之間的差異與多種病理變化相關(guān)，包括代謝綜合征和2型糖尿病。總體而言，代謝適應(yīng)性對于在頻繁變化的環(huán)境中對外界信號作出反應(yīng)是至關(guān)重要。  

所有的有機體都依賴于對環(huán)境變化作出反應(yīng)的能力，而預(yù)測這些變化的能力決定了有機體如何應(yīng)對這些變化。例如，因單一一種的食物傳播病原體中毒，會引發(fā)宿主防御途徑的線性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，最終免疫系統(tǒng)消除病原體及其毒素。然而，許多食物含有低水平的天然毒素，這些毒素需要被動物中和以防止病理發(fā)生。因此，當動物只在活動階段攝取食物時，時間則是有利因素。這類事件由于其周期性而具有很高的可預(yù)測性，其重現(xiàn)時間在很大程度上取決于太陽活動周期。然而，需要一種內(nèi)在的、預(yù)期的機制來實現(xiàn)對環(huán)境變化的臨時程序化響應(yīng)。這一機制是生物鐘，它在所有光敏感生物體中進化，為絕大多數(shù)生理和行為過程提供節(jié)律調(diào)節(jié)。從控制細胞和器官代謝，到協(xié)調(diào)血液營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)中器官功能、調(diào)節(jié)大腦睡眠-覺醒周期，晝夜節(jié)律控制在各個層面都發(fā)揮著作用。然而，晝夜節(jié)律系統(tǒng)不僅對代謝過程施加節(jié)律性，代謝信號和狀態(tài)也強烈地反饋給晝夜節(jié)律系統(tǒng)。換言之，新陳代謝不僅僅是晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的輸出，也為晝夜節(jié)律時鐘提供重要的輸入。事實證明，這種輸入-輸出反饋對于提供生物鐘必要的靈活性來調(diào)整生理以適應(yīng)細胞、組織和整個生物體的代謝需求是必不可少的。

在這篇綜述中，我們著重討論新陳代謝和生物鐘之間的相互作用，并討論各種潛在的機制。晝夜節(jié)律和新陳代謝之間的相互作用是廣泛的，可以從非常不同的角度加以涵蓋。我們選取提供晝夜代謝節(jié)律的調(diào)節(jié)原則，將每天活化某些解毒機制的相關(guān)過程安排在跟進食一致的時間里，在一個更廣闊的系統(tǒng)背景下進行研究。如此一來，我們從細胞到器官特異性和系統(tǒng)性的調(diào)節(jié)，并指出每個水平的晝夜代謝交叉點。我們的討論局限于哺乳動物的生物鐘，重點討論由晝夜-代謝之間串擾干擾引起的相關(guān)人類疾病。生命其他領(lǐng)域的晝夜代謝調(diào)控在其他優(yōu)秀綜述文章的主題已有詳述。

在哺乳動物的大部分（如果不是全部）全分化細胞中存在著以晝夜節(jié)律為基礎(chǔ)的分子鐘。在生物體水平上，生物鐘是分層結(jié)構(gòu)的，由不同類型的時鐘組成，對哺乳動物的生物鐘系統(tǒng)具有不同的功能。

1.1 核心時鐘基因

人體所有細胞中的分子晝夜節(jié)律振蕩器依賴于由所謂的時鐘基因構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)（圖1a）。周期（PER）和隱色素（CRY）基因被轉(zhuǎn)錄激活因子激活：晝夜節(jié)律運動輸出周期故障（CLOCK）、神經(jīng)元PAS結(jié)構(gòu)域蛋白2（NPAS2）和芳香烴受體核轉(zhuǎn)運體樣蛋白1（ARNTL1；更常稱為BMAL1），它們形成CLOCK-BMAL1和NPAS2-BMAL1異二聚體。這些復(fù)合物與啟動子區(qū)的e-box元件結(jié)合，激活PER和CRY基因的轉(zhuǎn)錄。PER和CRY蛋白被導(dǎo)入細胞核并抑制自身基因位點的轉(zhuǎn)錄，從而開始一個新的晝夜循環(huán)。第二個反饋回路對振蕩機制提供更多的穩(wěn)健性，它由核受體亞家族1D（NR1D；更常稱為REV-ERBA）和RAR相關(guān)孤兒受體（ROR）家族的核受體組成，這些受體同樣由核心時鐘振蕩器的組件激活，并驅(qū)動來自ROR元件結(jié)合位點的BMAL1節(jié)律性表達。這些復(fù)雜的反饋循環(huán)產(chǎn)生周期約為一天的節(jié)奏，因此被稱為晝夜節(jié)律（circa diem，拉丁語是“大約一天”）。時鐘因子還與細胞特異性增強子結(jié)合，并與各種表觀遺傳調(diào)控因子形成復(fù)合物，以驅(qū)動核心時鐘機制之外的目標基因的節(jié)律性表達，即所謂的時鐘控制基因（圖1b）?？偟膩碚f，晝夜節(jié)律振蕩器是一個由許多組分構(gòu)成的高度復(fù)雜分子機制，超出了本文的討論范圍，可在其他文章找到詳盡的描述。近年來，一些有趣的研究拓寬了我們對核心時鐘機制的看法。生物鐘自主的代謝振蕩似乎存在于高等生物的細胞中，在細胞節(jié)律性的產(chǎn)生中涉及過氧化物酶、氧化鎂和鉀通道（圖1c-e）。然而，這些與轉(zhuǎn)錄無關(guān)的振蕩器分子的組成、它們與核心時鐘的關(guān)系以及它們在生物學(xué)上的重要性至今仍未得到解決。

圖1： 轉(zhuǎn)錄和代謝的晝夜節(jié)律變化。a. 主時鐘中的經(jīng)典轉(zhuǎn)錄反饋通路。b. 時鐘蛋白與細胞特異性增強子結(jié)合，與多種表觀遺傳調(diào)控因子和通用轉(zhuǎn)錄因子（u-TFs）形成復(fù)合物，驅(qū)動靶基因的節(jié)律性表達。c. 過氧化物酶（PRDX）氧化循環(huán)。d.鎂離子的積蓄呈節(jié)律性。e. 鉀離子通過K+/Na+泵的轉(zhuǎn)運呈周期性的，引起膜電導(dǎo)和細胞質(zhì)電導(dǎo)的晝夜節(jié)律。

1.2主時鐘控制外圍時鐘

如上所述的分子振蕩器存在于身體的所有細胞中。它們通常被稱為外周振蕩，賦予組織特異性的晝夜節(jié)律，如胃腸器官的解毒、腎臟的尿液生成和心率調(diào)節(jié)。基因組和蛋白質(zhì)組表達研究發(fā)現(xiàn)，它們是由限速酶和調(diào)節(jié)因子的節(jié)律性mRNA和蛋白質(zhì)水平驅(qū)動的，外周組織中多達40%的基因表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性。

外周時鐘由大腦中的主時鐘控制，主時鐘利用由時鐘基因構(gòu)成的相同分子機制來產(chǎn)生節(jié)律性。主時鐘位于下丘腦視交叉上核（SCN），由10000-20000個神經(jīng)元組成，通過含有黑素的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和視黃醇下丘腦束與外界時間同步。SCN通過多種信號通路，包括內(nèi)分泌和神經(jīng)途徑，將白天的信息傳遞給體內(nèi)的所有其他時鐘。這些信號還與控制行為和營養(yǎng)體功能的下丘腦周圍腦區(qū)同步。通過控制這些有效的多效性軸，SCN到達機體的所有器官和細胞。

具有永久改變生物鐘振蕩器相位能力的信號稱為Zeitgeber（德語中的“時間給予者”）信號，整個過程稱為夾帶（entrainment）。SCN的主要輸出途徑是睡眠-覺醒周期的調(diào)節(jié)?；顒又芷诓豢杀苊獾貨Q定了進食和禁食的模式，這種有節(jié)奏的進食線索似乎是一個主要的Zeitgeber信號，至少在代謝活躍的組織，如肝臟和脂肪組織（圖2a）。因此，進食模式的改變（將進食切換到通常不活動的階段）使相對于SCN的外圍時鐘失同步（圖2b）。其他可能同步外周振蕩的節(jié)律，包括褪黑激素分泌周期（受光抑制）、核心體溫調(diào)節(jié)（清晨低谷水平和白天高峰水平）、外周組織的氧傳遞（活動期間高，休息時低）或循環(huán)糖皮質(zhì)激素產(chǎn)生（活動階段開始時達到峰值）也受到SCN的驅(qū)動。特定Zeitgeber的夾帶能力可以是組織特異性的，或者Zeitgeber信號可以作用于許多組織，就像血清反應(yīng)因子（SRF）的激活一樣，血清反應(yīng)因子廣泛由血清蛋白誘導(dǎo)。外周生物鐘代謝夾帶的機制已經(jīng)部分解決，并在下面討論。

圖2：光照及進食對生物鐘的影響。a.光通過視黃醇-下丘腦束（RHT）進入大腦視交叉上核（SCN）的中央時鐘。b. 攝食節(jié)律是主要的刺激信號（至少對于代謝組織，例如脂肪組織和肝臟），并且可以使外周組織時鐘與視交叉上核和行為節(jié)律不同步。

2.細胞生物鐘

根據(jù)目前的知識，真核生物中自主晝夜節(jié)律的最小單位是單個細胞。細胞鐘可以產(chǎn)生大多數(shù)代謝功能的節(jié)律性，而不依賴于身體其他部位產(chǎn)生的節(jié)律性系統(tǒng)信號，盡管如此，這些信號對于生物鐘的全身同步非常重要。也有新的證據(jù)表明，細胞構(gòu)建塊（如蛋白質(zhì)和脂質(zhì)）的組成和細胞器的功能遵循晝夜節(jié)律。在這里，我們特別討論最近的研究，這些研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能和組成具有時鐘依賴性調(diào)節(jié)。

2.1細胞自主代謝節(jié)律

在培養(yǎng)細胞中發(fā)現(xiàn)自我維持的晝夜節(jié)律振蕩為研究晝夜節(jié)律功能的實驗打開了大門，而不受細胞外環(huán)境、周圍組織或其他組織的影響。最近對培養(yǎng)細胞晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析顯示，所有可量化的代謝產(chǎn)物中有相當一部分（高達28%）是呈節(jié)律性的、受時鐘控制，且具有細胞類型特異性，包括氨基酸和NAD生物合成途徑的中間代謝產(chǎn)物。此外，核心時鐘振蕩器的遺傳變動可以改變代謝節(jié)律，反之亦然，支持了培養(yǎng)細胞代謝節(jié)律和轉(zhuǎn)錄節(jié)律耦合的模型。同樣，用體外培養(yǎng)的人肌管進行的實驗表明，振蕩脂質(zhì)代謝物的比例在肌肉組織和培養(yǎng)的肌管之間是相當的。此外，脂質(zhì)譜與參與其生物合成的基因轉(zhuǎn)錄譜相關(guān)，并在核心時鐘中斷時明顯減少，這為時鐘驅(qū)動代謝節(jié)律的維持提供了證據(jù)。除代謝物外，自噬是一種分解代謝過程，例如在饑餓時分解大分子，從而為合成代謝途徑提供新的構(gòu)建塊并支持細胞存活，已被證明是一種節(jié)律性細胞自主過程，也受晝夜節(jié)律的控制。

2.2 線粒體的晝夜控制

線粒體是真核細胞的能量來源。線粒體除了參與ATP的生成外，還參與脂質(zhì)生物合成、鈣穩(wěn)態(tài)和細胞凋亡等基本細胞過程。由于線粒體在生長和穩(wěn)態(tài)中的廣泛作用，線粒體功能障礙與包括肌病、神經(jīng)病變和心血管疾病在內(nèi)的嚴重疾病有關(guān)。雖然生理代謝調(diào)控的各個方面已經(jīng)在細胞水平上得到了廣泛的研究，但我們對亞細胞的時鐘依賴過程包括線粒體的生理調(diào)控的認識才剛剛起步。然而，最近的證據(jù)支持線粒體含量、動力學(xué)和功能（如呼吸和ATP生成）中存在每日節(jié)律，從而表明晝夜節(jié)律與細胞器代謝之間存在廣泛的相互作用（圖3）。

功能喪失研究表明，時鐘基因調(diào)節(jié)多種線粒體功能。全細胞或分離線粒體耗氧率（OCR）可用于評估線粒體營養(yǎng)利用和呼吸作用，并在不同實驗下對野生型和時鐘基因缺陷小鼠進行比較。從敲除Bmal1基因的基因小鼠分類出線粒體，肝特異性Bmal1基因敲除小鼠、Per1和Per2基因雙敲除小鼠的肝臟中分離出的線粒體顯示出低于各自野生型小鼠的耗氧率（圖3）。在Bmal1基因敲除小鼠中，脂肪酸氧化減少，線粒體脂肪酸組成及其代謝依賴于Bmal1（圖3）。同樣，在光期分離的肝細胞依賴于Bmal1，呼吸速率比在暗期分離出的肝細胞加快。此外，肝臟特異性Bmal1基因敲除小鼠的線粒體更大、更圓，并且它們在一天中保持相似的形態(tài)，而野生型線粒體在白天和夜間之間的形態(tài)呈現(xiàn)周期性變化。考慮到裂變和融合調(diào)節(jié)線粒體功能，并且在破碎的線粒體中呼吸效率較低，Bmal1基因敲除動物模型線粒體的形態(tài)學(xué)變化支持觀察到的線粒體呼吸功能變化。線粒體形態(tài)對時鐘基因的依賴性在小鼠骨骼肌和心臟中得到了證實，并與這些器官在時鐘擾動下線粒體功能受損有關(guān)。因此，這些裂變和融合的循環(huán)、能量產(chǎn)生的節(jié)律由動態(tài)蛋白相關(guān)蛋白1（DRP1）調(diào)節(jié)，DRP1是裂變的關(guān)鍵介質(zhì)（圖3）。值得注意的是，DRP1的活性是由磷酸化介導(dǎo)的，磷酸化以晝夜節(jié)律的方式發(fā)生，驅(qū)動線粒體網(wǎng)絡(luò)斷裂。反過來，線粒體裂變的抑制消除了晝夜ATP的產(chǎn)生，并反饋給核心晝夜節(jié)律振蕩器來調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律。值得注意的是，線粒體的總數(shù)是恒定的，與時鐘基因無關(guān)。

進一步的證據(jù)表明，線粒體功能受晝夜節(jié)律時鐘的調(diào)節(jié)，是根據(jù)對培養(yǎng)的同步肌肉細胞的測量得出的結(jié)論，這些細胞在大約24小時的周期內(nèi)表現(xiàn)出耗氧量的周期性變化。此外，從老鼠體內(nèi)分離出來的線粒體對營養(yǎng)物質(zhì)利用，在一天內(nèi)不同時間均有所不同。在某些脂肪酸的存在下，例如棕櫚酰肉堿，線粒體表現(xiàn)出有節(jié)律的呼吸，在從活躍期到靜止期的過渡過程中達到峰值，這可能是由于肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1（CPT1）的同步節(jié)律性，而CPT1是線粒體脂肪酸攝取的限速酶（圖3）。丙酮酸的利用亦呈節(jié)律性，但在休息階段后期達到高峰，可能是通過節(jié)律性丙酮酸脫氫酶（PDH）水平和/或磷酸化來調(diào)節(jié)其活性（圖3）。

值得注意的是，營養(yǎng)類型（例如，普通食物和高脂飲食）和進食時間控制著線粒體呼吸節(jié)律，每個參數(shù)都不同程度地影響著關(guān)鍵線粒體酶的振蕩和它們各自的底物利用率。總而言之，這些研究表明線粒體呼吸具有晝夜節(jié)律性，這種節(jié)律性是由分子振蕩器、攝食時間和飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整的。

脂質(zhì)決定線粒體膜的物理性質(zhì)并確定其蛋白質(zhì)組成。此外，它們是線粒體呼吸的主要能量來源，線粒體中合成了多種脂質(zhì)。從小鼠肝臟分離出的線粒體的高通量脂質(zhì)體分析顯示，線粒體中的脂質(zhì)約有三分之一呈晝夜節(jié)律性變化。與呼吸的節(jié)律性相似，脂質(zhì)的組成和分期亦呈節(jié)律性，依賴于晝夜節(jié)律和攝食時間。在隨意喂養(yǎng)的小鼠中，大多數(shù)線粒體脂質(zhì)在光相和暗相之間的過渡期（小鼠中處于非活動期和活動期之間的過渡期）達到峰值水平，而僅將食物消耗限制在暗相則會逆轉(zhuǎn)這些節(jié)律變化。此外，在缺乏PER1和PER2的動物中，線粒體相關(guān)的脂質(zhì)振蕩在沒有明顯相位的情況下表現(xiàn)出寬范圍的峰值時間，證實了晝夜節(jié)律時鐘在線粒體脂質(zhì)積聚協(xié)調(diào)中的作用（圖3）。

全肝蛋白質(zhì)組和分離線粒體的蛋白質(zhì)組分析顯示線粒體蛋白質(zhì)組存在廣泛的晝夜變化。超過三分之一的線粒體蛋白質(zhì)表現(xiàn)出每日節(jié)律性，其中大多數(shù)在早上達到峰值。線粒體分解代謝和氧化功能中的幾種限速酶呈節(jié)律性變化，使線粒體能夠以一種依賴于日光的方式利用各種營養(yǎng)物質(zhì)（如碳水化合物和脂肪酸）。雖然在時鐘基因突變小鼠體內(nèi)，一些核編碼線粒體蛋白的轉(zhuǎn)錄水平被解除調(diào)控，BMAL1與其啟動子結(jié)合，但整體分析顯示線粒體蛋白組與其各自的轉(zhuǎn)錄組之間的相關(guān)性很弱，證實轉(zhuǎn)錄后機制在線粒體晝夜節(jié)律控制中的重要作用。事實上，已經(jīng)證明翻譯后修飾嚴重影響線粒體的動力學(xué)和功能。對小鼠肝臟進行的一項整體乙酰基組分析顯示，許多線粒體蛋白質(zhì)的乙?；癄顟B(tài)每天都有變化，Krebs循環(huán)中的CLOCK依賴性乙酰化位點和谷胱甘肽代謝酶都有所增加。此外，許多線粒體蛋白的乙酰化狀態(tài)在Bmal1基因敲除小鼠中發(fā)生了改變。因此，線粒體蛋白乙?；坪跏艿綍円构?jié)律時鐘的控制，這就提出了一個問題：翻譯后修飾，如磷酸化，是否同樣具有節(jié)律性？（圖3）

圖3：線粒體的晝夜節(jié)律調(diào)控。

3.器官中的晝夜代謝

幾乎在身體的每一個細胞中都有晝夜節(jié)律時鐘，因此在大多數(shù)器官中都發(fā)現(xiàn)了代謝的節(jié)律性調(diào)節(jié)就不足為奇了。腎臟中幾乎40%的基因都有節(jié)律性表達，這一比例只有肝臟中的基因才能與之匹敵，因為肝臟是迄今為止節(jié)律性最強的組織。一般來說，生物鐘調(diào)節(jié)著每個器官中一些最突出的生理功能。例如，在腎臟中，生物鐘調(diào)節(jié)血液流量、腎小球濾過率及水電解質(zhì)的排泄，這在很大程度上是由膜轉(zhuǎn)運蛋白的節(jié)律性表達控制的。在胰腺中，胰島素和胰高血糖素的分泌受晝夜節(jié)律的控制；而在肌肉中，呼吸和自噬過程（在高代謝組織中，這兩個過程分別能產(chǎn)生強大的能量并維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和蛋白質(zhì)平衡）則遵循晝夜節(jié)律。同樣重要的是外周組織中激素和其他活性分子的節(jié)律性合成和分泌，與機體其他器官實現(xiàn)器官間交互作用。表1展示了生物鐘調(diào)控激素及其主要功能的例子。此外，胃腸道與微生物群密切合作，發(fā)揮所有代謝和內(nèi)分泌功能，微生物群的組成也遵循與宿主生物鐘同步的晝夜節(jié)律。

表1：激素與血氣對晝夜節(jié)律的調(diào)控

葡萄糖代謝還受核受體REV-ERBAα的調(diào)控。近年來，REV-ERBAα62已成為肝臟晝夜節(jié)律和代謝調(diào)節(jié)之間的核心時鐘組件和中央調(diào)節(jié)器。REV-ERBAα在核心振蕩器的一個臂中通過依賴于時鐘-BMAL1的轉(zhuǎn)錄激活呈節(jié)奏性表達（圖1a）。它通過與RORα和RORγ競爭結(jié)合時鐘基因啟動子中的RORE和revDr2，反饋核心時鐘基因的表達。值得注意的是，REV-ERBAα代謝輸出功能的轉(zhuǎn)錄調(diào)控在很大程度上與其DNA結(jié)合活性無關(guān)。相反，節(jié)律性表達的REV-ERBAα與肝特異性轉(zhuǎn)錄因子肝細胞核因子4α（HNF4α）或HNF6在其各自的靶基因啟動子結(jié)合位點相關(guān)聯(lián)，并使用組蛋白脫乙?；?（HDAC3）和其他共抑制因子來調(diào)節(jié)代謝基因的轉(zhuǎn)錄，例如，脂肪酸延伸酶5（ELOVL5）或酰基輔酶a合成酶短鏈家族成員3（ACSS3）。在脂質(zhì)代謝中，REV-ERBAα和HDAC3與脂質(zhì)合成基因的協(xié)同結(jié)合是防止肝臟脂肪變性的關(guān)鍵，通過限制進食時脂質(zhì)生物合成和有毒脂質(zhì)積累。REV-ERBAα和HDAC3還調(diào)節(jié)1-?；视?3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶（AGPAT）和磷脂酸磷酸酶脂質(zhì)（LPIN）的表達，這是甘油-3-磷酸途徑中調(diào)控甘油和脂質(zhì)代謝以及甘油三酯在肝臟中積聚的酶。此外，REV-ERBAα和胰島素誘導(dǎo)的LPIN磷酸化均調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子SREBF（sterol regulatory element binding transcription factor 甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子）的活性，SREBP是膽固醇代謝的中心調(diào)節(jié)因子。REV-ERBAα在骨骼肌細胞中也高度表達，調(diào)節(jié)線粒體功能和自噬。有趣的是，REV-ERBAα與血紅素結(jié)合，其拮抗劑RORα和RORγ對膽固醇有很高的親和力（圖4b），表明在代謝的晝夜調(diào)節(jié)中存在廣泛的蛋白質(zhì)-代謝物相互作用網(wǎng)絡(luò)。除了REV-ERBAα、REV-ERBAβ、RORα和RORγ是核心時鐘機制的一部分外，幾乎過半的核受體在肝臟中呈節(jié)奏性表達。這些受體，例如過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）和過氧化物酶體增殖物激活受體-γ聯(lián)合激活劑1α（PGC1α），通過與核心時鐘轉(zhuǎn)錄因子PER2、CRY1和CRY2一致的基因表達程序的調(diào)節(jié)，或通過蛋白質(zhì)與核心時鐘轉(zhuǎn)錄因子的相互作用，或通過共同調(diào)節(jié)基因表達程序，來塑造代謝模式（圖4b）。

4.全身代謝節(jié)律

在全身水平上，細胞和組織的營養(yǎng)和氧氣供應(yīng)由于在活動期（強烈吸收）和休息期（減少或不吸收營養(yǎng)）的吸收量不同而呈現(xiàn)出晝夜波動。晝夜節(jié)律系統(tǒng)通過驅(qū)動代謝產(chǎn)物和血氣進入外周器官細胞的節(jié)律性攝取和釋放機制來緩沖這些波動，同時利用系統(tǒng)代謝產(chǎn)物和血氣水平作為外周時鐘的基準。

4.1系統(tǒng)代謝物水平的晝夜調(diào)控

日間行為節(jié)律性的一個直接結(jié)果是血液中的營養(yǎng)物質(zhì)流量根據(jù)一天中的時間變化而發(fā)生變化。顯而易見，食物主要是在活動階段消耗的，小鼠和人類在活動階段分別攝入80%和（理想情況下）100%的食物；而在休息階段利用內(nèi)部能量儲存補充不斷下降的營養(yǎng)水平。因此，大多數(shù)中間代謝物的水平，包括葡萄糖、氨基酸和脂質(zhì)，在清醒和活動期間峰值水平之間在血液中振蕩。由于這些振蕩與環(huán)境時間同步，我們的身體利用細胞代謝產(chǎn)物吸收和釋放的時鐘控制機制來與環(huán)境輸入保持一致，并緩沖過度的波動以避免對身體產(chǎn)生損害性影響。在這里，血糖水平的晝夜調(diào)節(jié)再次強調(diào)了生物鐘不僅對細胞葡萄糖代謝的重要性，而且對于不同器官（主要是下丘腦、肝臟、胰腺和骨骼?。┲械纳镧妳f(xié)同作用控制葡萄糖穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜機制的重要性。SCN是晝夜血糖波動的主要驅(qū)動因素，它將食物攝取安排在活動階段（圖2）。在這些相對營養(yǎng)豐富的時期，肌肉和肝細胞通過胰島素依賴性轉(zhuǎn)運蛋白攝取葡萄糖，即GLUT4（也稱為SLC2A4）和GLUT2（也稱為SLC2A2），它們的表達由生物鐘共同調(diào)節(jié)。休息期禁食的低血糖水平通過肝臟的晝夜葡萄糖分泌得到補充，這是由GLUT2的時鐘依賴性表達介導(dǎo)的，GLUT2在休息（禁食）期達到峰值。胰腺通過依賴于生物鐘的節(jié)律性分泌胰島素和胰高血糖素，支持基于轉(zhuǎn)運體的葡萄糖攝取和從組織中釋放的調(diào)節(jié)，這與外周組織中受生物鐘調(diào)節(jié)的節(jié)律性胰島素敏感性和胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相平行（圖4a）。因此，在不同器官中，生物鐘控制的攝取和釋放過程的相互作用最終維持了全天的血糖穩(wěn)態(tài)。

血糖水平的調(diào)節(jié)表明了系統(tǒng)晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，以及多個生物鐘在不同器官協(xié)同工作以維持系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的常用原理。因此，這些概念是否也適用于其他血液代謝物，例如氨基酸和脂質(zhì)的水平？我們對葡萄糖以外的代謝物的晝夜系統(tǒng)調(diào)節(jié)知之甚少，也無法通過組織特異性敲除以確定單個器官在這些過程中的作用。然而，眾所周知的是，谷氨酰胺從骨骼肌中大量釋放出來，作為其他組織的系統(tǒng)燃料。由于谷氨酰胺合成酶的晝夜節(jié)律，谷氨酰胺的合成似乎是有節(jié)律的。類似的，各種細胞外脂肪酶都呈節(jié)律性表達，并且應(yīng)該促進脂蛋白顆粒中脂肪酸的晝夜動員，以促進細胞攝取。

4.2 血氣的節(jié)律性

5.代謝平衡中的晝夜節(jié)律

睡眠是代謝主開關(guān)，睡眠-覺醒周期的調(diào)節(jié)是晝夜節(jié)律生物鐘對全身進行代謝控制的最有力手段。在動物模型和人體模型中，生物鐘基因被證明可以調(diào)節(jié)睡眠周期的時間、質(zhì)量和持續(xù)時間。哺乳動物的睡眠周期由兩個部分調(diào)節(jié)：隨著持續(xù)清醒而增加的對睡眠的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動，以及與太陽活動相一致的晝夜鐘。白天依賴的睡眠調(diào)節(jié)覺得了生物體的時間生態(tài)位。首先，將活動和休息階段與有限的有利時間窗口對齊減少了遇到獵物和躲避捕食者的機會。其次，從新陳代謝的角度來看，睡眠和清醒之間的能量分配有很大的不同。對人類的研究表明，睡眠時的能量消耗減少到清醒時能量消耗的三分之二，盡管睡眠階段導(dǎo)致的總能量消耗僅減少約562 kJ（~134 kcal），但整體節(jié)省的能量（主要是運動過程中的能量）可以重新分配給免疫功能、突觸可塑性、糖原儲存以保護機體、組織再生、適應(yīng)環(huán)境、合成代謝等。最后，睡眠和覺醒的節(jié)律必然決定進食和禁食的節(jié)律，從而通過營養(yǎng)水平和各種相關(guān)參數(shù)（如能量利用率和氧化還原水平）在外周組織中設(shè)置時鐘（圖2）。下一節(jié)將討論外圍夾帶的分子機制。

6.代謝對生物鐘的反饋

有充分的證據(jù)表明，新陳代謝調(diào)節(jié)不僅僅是生物鐘的輸出功能。代謝參數(shù)也是晝夜節(jié)律振蕩的有效調(diào)節(jié)器，這種反饋調(diào)節(jié)的新機制指向小代謝物與其細胞結(jié)合伙伴之間的相互作用，這些通常被稱為代謝傳感器蛋白，它們能感知營養(yǎng)物、能量和氧化還原水平的變化，并相應(yīng)地修改基因表達程序。

全身代謝物對外周振蕩的反饋是器官晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的標志。許多循環(huán)營養(yǎng)素和激素，如葡萄糖、氨基酸、胰島素、胰高血糖素、糖皮質(zhì)激素等等，都具有調(diào)節(jié)能力。此外，除葡萄糖外，細胞能量產(chǎn)生的兩種最豐富的循環(huán)營養(yǎng)素，即谷氨酰胺和乳酸，已與晝夜節(jié)律時鐘控制的反饋信號通路聯(lián)系起來（圖4b）。葡萄糖和谷氨酰胺通過己糖胺途徑轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc），后者是O-β-D-nactylglucosamine（O-GlcNAc）共價修飾蛋白質(zhì)的底物。BMAL1、CLOCK和PER2的O-glcnacylization調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性和穩(wěn)定性，并影響其夾帶和晝夜節(jié)律時鐘的周期長度。乳酸是組織中代謝通量最高的代謝物，向細胞中添加乳酸可刺激NPAS2-BMAL1活性（圖4b）。有趣的是，在禁食期間，乳酸流量增加了2.5倍，因此，乳酸是一種強而有力的血清代謝物，用于調(diào)節(jié)攝食節(jié)律對外周時鐘的影響。

進一步的研究表明，在生理范圍內(nèi)的氧節(jié)律以HIF1α依賴的方式使細胞間的生物鐘同步。此外，有研究表明，環(huán)境氧水平的靶向調(diào)節(jié)加速了小鼠對時差反應(yīng)的適應(yīng)，表明氧感應(yīng)在調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律中的作用。HIF1α的激活增加了培養(yǎng)的肌管的晝夜周期長度，并且這種效應(yīng)似乎是，至少部分是，基于HIF1α和核心時鐘蛋白BMAL1之間的生理相互作用，這也反映在全基因組協(xié)同DNA上HIF1α和BMAL1與BMAL1靶向的基因啟動子的結(jié)合（圖4b）。另一種血氣，一氧化碳，主要是在細胞內(nèi)產(chǎn)生的一種血色素降解副產(chǎn)品。一氧化碳生成酶血紅素加氧酶的節(jié)律性活性是生物鐘正常工作所必需的，而它的缺失則導(dǎo)致生物鐘控制的基因轉(zhuǎn)錄被解除，葡萄糖代謝受到干擾。一氧化碳通過減弱時鐘CLOCK-BMAL1復(fù)合物與DNA的結(jié)合來調(diào)節(jié)BMAL1的轉(zhuǎn)錄活性（圖4b）。此外，血色素作為NPAS2（BMAL1二聚體的替代物）的修復(fù)體，一氧化碳與血紅素結(jié)合組織形成具有轉(zhuǎn)錄活性的NPAS2-BMAL1異二聚體，有利于減少BMAL1-BMAL1同二聚體的形成（圖4b）。因此，氣態(tài)一氧化物與生物鐘之間的相互作用得到了很好的證實，甚至可能具有治療潛力。最近的一份報告顯示，一氧化碳PER2的升高，在缺血再灌注損傷中具有保護作用。

6.2 代謝物作為細胞振蕩器的反饋信號

細胞似乎擁有多種分子反饋機制，將其晝夜節(jié)律與其代謝狀態(tài)聯(lián)系起來。全基因組RNAi篩選培養(yǎng)的人類細胞中晝夜節(jié)律時鐘的調(diào)節(jié)因子，確定了影響核心時鐘振蕩器的各種代謝基因，包括胰島素和葉酸代謝成分，這表明代謝在晝夜節(jié)律時鐘控制中的深度整合。下面討論細胞代謝物及其相關(guān)過程，這些過程已被證明為晝夜節(jié)律時鐘提供反饋。值得注意的是，這些例子可能只是代謝物介導(dǎo)的時鐘調(diào)節(jié)的冰山一角，可以想象，代謝物及其相應(yīng)的代謝傳感器蛋白參與了這種復(fù)雜的交互作用。

細胞氧化還原水平反映在NAD和FAD的還原氧化比率上，NAD和FAD是許多調(diào)節(jié)核心振蕩器功能的蛋白質(zhì)的輔因子。例如，SIRT1和PARP1在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中分別使用NAD作為脫乙?；途跘DP核糖化的輔助因子。由于煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（NAMPT）依賴的NAD補救途徑的晝夜活動，NAD水平本身是有節(jié)律的，在各種時鐘基因敲除模型中氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞與神經(jīng)變性和衰老有關(guān)。而SIRT1的表達和/或活性呈節(jié)律性，PARP1蛋白水平為非節(jié)律性的，細胞自主節(jié)律的PARP1活性是由一個尚未確定的機制所驅(qū)動的。PARP1通過CLOCK的聚ADP-核糖基化（poly-ADP-ribosylation）調(diào)節(jié)生物鐘的相位重置，從而減弱CLOCK-BMAL1與DNA的結(jié)合（圖4b）。此外，PARP1還驅(qū)動染色質(zhì)與調(diào)節(jié)晝夜基因表達的核膜相互作用的晝夜變化。SIRT1通過組蛋白、BMAL1、PER2和MLL1的節(jié)律性脫乙酰化來調(diào)節(jié)生物鐘，與CLOCK相互作用并促進染色質(zhì)在依賴于時鐘的啟動子處的可接近性（圖4b）。此外，SIRT1通過與PPARα127、PGC1α128和CREB調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄輔激活因子2（CRTC2）的相互作用來驅(qū)動特定的代謝程序。此外，F(xiàn)AD及其生物合成酶核黃素激酶（RFK）的水平在細胞核中具有節(jié)律性，并調(diào)節(jié)CRY蛋白的穩(wěn)定性（圖4b）。實驗誘導(dǎo)的低水平FAD改變肝臟中CRY的數(shù)量，并在葡萄糖穩(wěn)態(tài)波動中重新編程代謝基因表達。細胞氧化還原水平也受磷酸戊糖途徑的影響，磷酸戊糖途徑產(chǎn)生NADPH，NADPH是合成代謝反應(yīng)的重要電子載體。抑制磷酸戊糖途徑可通過CLOCK-BMAL1與靶基因結(jié)合和依賴于p300的組蛋白乙?；?/span>以延長晝夜節(jié)律振蕩周期。

細胞能量主要以三磷酸核苷的形式儲存。AMP-活化蛋白激酶（AMPK）是一種有效的合成代謝途徑抑制劑，通過誘導(dǎo)PER和CRY蛋白的磷酸化和降解來測量ATP與AMP的比率，并使生物鐘功能適應(yīng)能量水平的變化。由AMPK直接發(fā)生CRY磷酸化，而PER磷酸化由酪蛋白激酶1（CK1δ和CK1ε）介導(dǎo)，其活性由AMPK誘導(dǎo)（圖4b）。AMPK還促進SIRT1的活性。此外，AMPK直接感知葡萄糖水平，這也是能量狀態(tài)的一種節(jié)律性測量。

代謝產(chǎn)物乙酰輔酶A是另一種進化上保守的能量傳感器，它連接碳水化合物、脂肪和氨基酸的代謝。在哺乳動物中，基因表達受組蛋白乙酰化水平的影響，所需的乙酰輔酶A來源于乙酰輔酶A產(chǎn)生酶ATP-檸檬酸裂解酶和乙酰輔酶A合成酶的細胞質(zhì)和核池。乙酰輔酶A作為組蛋白和非組蛋白乙?；牡孜镎{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后，這種翻譯后修飾調(diào)節(jié)酶水平和活性。這一機制通過乙酰輔酶A合成酶的SIRT1依賴性節(jié)律性去乙?；c生物鐘相連，促進乙酰輔酶A的合成。重要的是，核心振子機制的基本步驟由組蛋白和時鐘蛋白的乙?；腿ヒ阴；{(diào)節(jié)（圖4b）：組蛋白的乙?；腿ヒ阴；芷谡{(diào)節(jié)PER和CRY基因的表達，而在時鐘蛋白水平上，乙?；纱龠M其活性（如BMAL1）或穩(wěn)定性（如PER2）。有趣的是，CLOCK本身具有乙酰轉(zhuǎn)移酶活性，這是由BMAL1刺激的，進一步強調(diào)了乙酰化在調(diào)節(jié)基因表達的晝夜振蕩中的重要性。

最后，我們強調(diào)了多胺的時鐘調(diào)節(jié)作用。多胺的多功能小分子類可在飲食中攝取并從頭合成或由腸道微生物群合成。多胺水平表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性，進而改變培養(yǎng)細胞和小鼠的晝夜節(jié)律，很可能是通過調(diào)節(jié)PER2和CRY1抑制劑之間的相互作用（圖4b）。值得注意的是，在老年小鼠的飲食中補充多胺（如亞精胺）能夠使其生物鐘恢復(fù)活力，并將生物鐘周期縮短到幼鼠的長度，這表明了對衰老相關(guān)生物鐘功能衰退進行營養(yǎng)干預(yù)的可能性。

圖4：葡萄糖在細胞水平的晝夜代謝節(jié)律及對細胞生物鐘的反饋。a. 葡萄糖代謝是外周代謝晝夜調(diào)節(jié)的一個例子。b. 代謝輸出多種信號到核心時鐘基因調(diào)控。

7. 代謝異常的生物鐘

7.1 生物鐘的擾動會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)處理不當和代謝疾病

不同器官的晝夜節(jié)律系統(tǒng)的破壞導(dǎo)致許多與營養(yǎng)代謝紊亂相關(guān)的表型。SCN損傷的小鼠完全缺乏血糖和胰島素的每日節(jié)律變化，而肝臟特異性晝夜節(jié)律紊亂的小鼠無法適當緩沖由SCN介導(dǎo)的進食周期引起的晝夜血糖波動。肌肉特異性敲除Bmal1導(dǎo)致葡萄糖攝取受損，靶向缺失胰腺時鐘導(dǎo)致空腹血糖升高和葡萄糖不耐受。全身時鐘功能喪失（例如，Clock或Bmal1敲除動物模型中）導(dǎo)致高血糖、葡萄糖不耐受，最終導(dǎo)致肥胖和代謝綜合征。人類的輪班工作不可避免地與生物鐘與自然晝夜周期脫鉤有關(guān)，對營養(yǎng)代謝有多重不利影響。它會引起血脂譜的改變，包括膽固醇和低密度脂蛋白水平的升高，以及餐后胰島素、血糖和血脂水平的升高。因此，輪班工人罹患2型糖尿病和心血管疾病的風(fēng)險明顯較高。

此外，整個胃腸道都受到晝夜節(jié)律時鐘的控制。時差或輪班工作引起的晝夜節(jié)律紊亂主要表現(xiàn)為胃腸不適。長期破壞這些組織的生物鐘可能導(dǎo)致嚴重的疾病，如結(jié)直腸癌或代謝綜合征。

7.2 睡眠障礙和代謝疾病。

睡眠時間的減少和增加以及睡眠質(zhì)量的降低都會擾亂內(nèi)分泌系統(tǒng)，并與胰島素抵抗、2型糖尿病和肥胖有密切關(guān)系。睡眠剝奪與晝夜節(jié)律失調(diào)（例如，在輪班工作期間，意味著外部時間和晝夜節(jié)律時間之間的差異）在實驗上證實與靜息代謝率降低和餐后血糖濃度增加有關(guān)。盡管睡眠期間能量需求較低，但睡眠剝奪也會降低瘦素，升高胃饑餓素，提高饑餓感。

瘦素和胃饑餓素是代謝的有力調(diào)節(jié)劑，它們本身受生物鐘控制。毫不奇怪，環(huán)境導(dǎo)致的晝夜節(jié)律紊亂，如慢性時差，會導(dǎo)致肥胖，各種聯(lián)系集中在瘦素抵抗上。此外，一種先天性的睡眠節(jié)律紊亂，家族性晚期睡眠期綜合征，是由編碼CK1δ、PER2或CRY2的時鐘基因突變引起的，使受影響的個體想在傍晚時分睡覺，半夜起床，幾乎使他們無法進行正常的社交生活。同樣，CRY1的特異性突變也可能產(chǎn)生相反的效果，導(dǎo)致延遲睡眠期紊亂。更重要的是，被迫調(diào)整到一個正常的節(jié)奏，人類這些晝夜生理系統(tǒng)與其他睡眠-覺醒周期紊亂是持續(xù)與環(huán)境不同步。這種持續(xù)的、基于基因的內(nèi)外時間失調(diào)被稱為“社會時差”，與代謝疾病和肥胖有關(guān)。

如今對晝夜節(jié)律的代謝研究迅速增加，幾乎涵蓋了代謝的方方面面。事實上，近年來這一領(lǐng)域的實質(zhì)性進展已經(jīng)允許開發(fā)針對晝夜節(jié)律系統(tǒng)的小分子藥物，其目的是逆轉(zhuǎn)不良代謝變化或調(diào)節(jié)現(xiàn)有藥物的活性，這些藥物的活性和穩(wěn)定性往往受到晝夜節(jié)律系統(tǒng)的重大影響。未來的研究有望進一步鞏固代謝途徑和生物鐘的相互整合，通過研究二者相互作用的潛在分子機制，增加與生物鐘節(jié)律交叉的代謝途徑和過程的種類，并采用新的基因、藥理和環(huán)境模型，以解決晝夜代謝紊亂的病理后果。

哺乳動物時鐘基因的中斷導(dǎo)致代謝相關(guān)的發(fā)病率和死亡率增加，這是一個公認的事實。然而，不幸的是，絕大多數(shù)的研究僅僅證明了單個時鐘基因?qū)λ芯康谋硇偷闹匾?，并沒有解決疾病狀態(tài)是否是由一般生理時鐘功能的干擾引起的問題。因此，許多由與時鐘相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子控制的過程很可能僅僅依賴于這些調(diào)控因子，而不依賴于它們在核心時鐘電路中的功能。在一些情況下，使用缺乏多個時鐘基因的動物模型，即正（例如，Bmal1或Clock）和負（例如，Cry1，Cry 2，Per1，Per2）晝夜節(jié)律電路中的功能喪失模型，支持晝夜節(jié)律時鐘本身的作用，而不是特定轉(zhuǎn)錄因子的作用。然而，即使是這樣的方法也不能總是明確區(qū)分二者，因為核心時鐘轉(zhuǎn)錄因子水平是相互依賴的。解決這一問題的最佳策略似乎是共振實驗。如果晝夜節(jié)律振蕩器是為了預(yù)測生物體在每日明暗周期中的代謝需要而進化的，那么它們的周期長度τ應(yīng)該大致與明暗周期（即所謂的“T周期”）的周期一致。如果τ和T的不一致影響生物體的健康狀態(tài)，那么導(dǎo)致表型的出現(xiàn)必然是因為生物鐘與環(huán)境節(jié)律的相互作用，而不是生物鐘基因本身的突變。這些分析已經(jīng)在不同的藍藻菌株和植物上成功地進行了，將類似的研究擴展到包括哺乳動物在內(nèi)的其他動物的時機已經(jīng)成熟。這樣的實驗也可能為大家熟悉的觀念提供證據(jù)，即新陳代謝的時間安排對細胞有利，因為它們的資源有限，而將所有生理機制維持在一個恒定的高水平將導(dǎo)致能量的浪費。

正如本文討論的，許多系統(tǒng)生理功能不是由單個器官完成的，而是由不同組織的不同輸入和輸出所產(chǎn)生的。因此，解剖所有個體器官中生物鐘的貢獻對于理解生物鐘系統(tǒng)對代謝途徑的整體控制是必需的。建立新的組織特異性、缺乏時鐘的小鼠模型是實現(xiàn)這一目標的必要步驟。

最后，對代謝控制的晝夜觀不僅對時間生物學(xué)專家，而且對在代謝和生理學(xué)方面具有核心能力的研究人員都是有價值的，因為采取這種獨特的觀點可能會暴露代謝調(diào)節(jié)的許多方面。許多沒有考慮晝夜節(jié)律因素的代謝途徑研究，一旦以一天一次的方式進行，很可能會揭示許多新的信息。

原文網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41580-018-0096-9