編譯：微科盟Echo，編輯：微科盟Tracy、江舜堯。
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導讀生物鐘可以協(xié)調(diào)人類生物化學、生理和行為功能的每日節(jié)律?；虮磉_、細胞分裂和DNA修復都受到生物鐘的調(diào)節(jié)，這就引出了一個假說：生物鐘紊亂可能使機體更易患癌癥。盡管許多流行病學和動物實驗研究的結果都表明生物鐘在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中扮演著重要角色，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以得出生物鐘紊亂具有致癌作用的結論；同樣，研究表明化療具有晝夜時間依賴性，但與傳統(tǒng)方案相比時間化學療法的臨床試驗并沒有表現(xiàn)出更好的結果。未來的研究應該聚焦于生物鐘成分和致癌機制之間的相互作用上，以充分挖掘生物鐘和癌癥之間的臨床潛力。
原名：Clocks, cancer, and chronochemotherapy通訊作者：Aziz Sancar & Russell N. Van Gelder
通訊作者單位：北卡羅來納大學醫(yī)學院&華盛頓大學醫(yī)學院晝夜節(jié)律是生物體內(nèi)生化、生理和行為功能的內(nèi)在周期振蕩，也是幾乎所有真核生物都會表現(xiàn)出的一種基本特征，生物鐘在大多數(shù)生命形式中的普遍性強烈地表明，它具備一定的選擇性優(yōu)勢，其已經(jīng)在通過比較果蠅、老鼠、花栗鼠和正常動物的存活率得到了驗證。在分子水平上，哺乳動物的生物鐘是由一個轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路組成的，BMAL1和CLOCK形成異源二聚體，結合在Per和Cry基因啟動子區(qū)的E-BOX元件上，促進它們的轉(zhuǎn)錄，當 PER和CRY 在細胞質(zhì)中聚集達到一定濃度時形成二聚體，入核并抑制BMAL1/CLOCK二聚體的轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制Per和Cry 自身的轉(zhuǎn)錄。另外，核受體ROR 和 REV-ERB 可以結合到Bmal1啟動子區(qū)的ROR結合元件分別促進和抑制Bmal1的轉(zhuǎn)錄（圖1所示）。在人類和小鼠中，有50%到80%的蛋白質(zhì)編碼基因是由生物鐘控制的；反過來，生物鐘調(diào)控的基因包括一些對細胞分裂時間至關重要的基因，這些基因?qū)е铝艘恍┙M織中強烈的分裂節(jié)律。因此，生物鐘紊亂可能會導致細胞分裂失調(diào)，這可能是癌癥發(fā)生的一個標志。本文作者回顧了生物鐘紊亂對人類健康影響的研究現(xiàn)狀（特別是在致癌方面），以及通過時間療法改善癌癥治療的方向和策略。（左）這是生物鐘的分子基礎轉(zhuǎn)錄翻譯反饋回路的示意圖。這是生物鐘的分子基礎TTFLs的示意圖。在主回路中，周期(Per)和隱花色素(Cry)基因是由CLOCK-BMAL1異源二聚體驅(qū)動的。CRY-PER二聚體從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞核，并抑制CLOCK-BMAL1驅(qū)動的E-box轉(zhuǎn)錄。在第二環(huán)中，E-box驅(qū)動REV-ERBa和RORA的晝夜表達，從而調(diào)節(jié)Bmal1的轉(zhuǎn)錄。（右）小鼠肝臟中由生物鐘控制的854個基因的轉(zhuǎn)錄熱圖。體內(nèi)生物鐘和外部的物理時鐘之間的不同步會導致出現(xiàn)至少三種病理狀況，分別是時差反應、睡眠相位綜合征和代謝綜合征。時差反應的出現(xiàn)是因為生物鐘基因的節(jié)律性表達無法迅速適應因跨時空飛行而引起的生物鐘相位變化，通常表現(xiàn)出疲倦、易怒、智力減退、睡眠紊亂和胃腸道癥狀等短暫的癥狀。而一種稱為“輪班工作障礙”的相關疾病也是一種慢性時差反應，長期的工作時間不同步會對健康產(chǎn)生消極而深遠的影響。睡眠相位綜合征是指睡眠-覺醒周期相對于明暗周期提前或延遲的情況。家族性形式的睡眠相位前移（ASP）和睡眠相位后移（DSP）與核心生物鐘基因的多態(tài)性相關。人類Per2、Per3、Cry2、Timeless和CK1δ激酶的突變與ASP的遺傳形式有關，而DSP主要與Cry1、Per2和Per3的多態(tài)性有關。到目前為止，這些研究數(shù)據(jù)提供了表明生物鐘紊亂與人類疾病有關的直接證據(jù)。代謝綜合征的癥狀主要包括高血糖、高膽固醇和肥胖。流行病學研究表明輪值班工作是代謝綜合征的重要風險因素之一，而食物攝入時間被認為是維持這種關系的潛在機制。這些流行病學的發(fā)現(xiàn)也得到了動物實驗研究的支持，即高脂肪食物喂養(yǎng)并允許隨意進食的小鼠會出現(xiàn)代謝綜合征，而限制性飲食的小鼠則不會。將疾病狀態(tài)與晝夜節(jié)律功能聯(lián)系起來的有力證據(jù)是對生物鐘基因敲除小鼠的研究，包括Bmal1,Clock, mPer1和mPer2 (mPer1/2), mCry1和mCry2的無效突變(mCry1/2)導致小鼠行為的節(jié)律發(fā)生紊亂。正如可以預測的那樣，如果晝夜節(jié)律失調(diào)強烈影響疾病發(fā)病機制，正常飲食喂養(yǎng)的Clock基因突變小鼠會發(fā)展為代謝綜合征；然而，目前尚不清楚這是由于Clock基因的晝夜節(jié)律功能造成的，還是CLOCK(一種bhlh-pas蛋白)參與了其他非生物鐘基因和蛋白質(zhì)的控制。然而，在將生物鐘功能與生理失調(diào)聯(lián)系起來時，需要注意所有生物鐘缺陷動物的表型并非完全相同，例如，Bmal1和Clock敲除小鼠的壽命顯著縮短（>15%），而Cry1/2和Per1/2缺陷小鼠的壽命正常。關于不同的核心生物鐘基因具有不同的表型可能存在兩個解釋：首先，作為轉(zhuǎn)錄因子每個晝夜節(jié)律蛋白都有可能是非節(jié)律的特定靶點，在突變時會導致明顯的基因多效性；其次，不同敲除引起的改變可能是不同的，例如，Bmal1基因缺失的動物可能會使某種基因處于長期低表達狀態(tài)，而Cry1/2突變體可能導致相同轉(zhuǎn)錄物的高表達，因此，從任何一種核心生物鐘基因敲除動物的實驗結果中推斷出生物鐘在生理功能障礙中的作用是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。盡管如此，還是可以表明，生物鐘與代謝綜合征以及相關病理學之間在機制方面存在一定潛在的聯(lián)系。由于在小鼠和人類中，生物鐘能調(diào)節(jié)大多數(shù)編碼蛋白的基因的表達，所以我們推測生物鐘紊亂可能會使人容易患癌癥。大量的研究也已經(jīng)在探索這個假說，但是，許多評論和總結都假定生物鐘紊亂具有致癌性，并在這個總體框架下解釋數(shù)據(jù)。在本文中，我們將試圖就流行病學和實驗研究提出一個平衡的觀點，將生物鐘紊亂與癌癥聯(lián)系起來，并在可能的情況下就相互矛盾的觀點進行討論。世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構2007年的一篇文章指出，夜班工作可能作為致癌因素之一，尤其對于乳腺癌，該組織在2019年重新評估這一觀點并得出了相同的結論；大量研究表明輪班工作人員患癌癥的相對風險增加在0- 40%之間，一些科學家對這些發(fā)病率數(shù)據(jù)進行了解釋，認為晝夜節(jié)律紊亂易導致人類患癌癥，包括乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和結直腸癌；然而，其他一些科學家卻認為夜班或輪班工作引起的生物鐘紊亂并不會致癌，例如，最近的幾項非常大的研究，包括對丹麥的155,000名婦女的研究和英國對100,000多名婦女的研究，都結果表明，輪班工作不會增加患癌癥的風險。幾項全基因組關聯(lián)研究已在尋求證據(jù)證明人類時鐘基因多態(tài)性會影響癌癥的發(fā)病率。最近兩項Meta分析提出乳腺癌與生物鐘基因Npas2、Clock、Rorα、Rorβ和Per3在統(tǒng)計學意義上的關聯(lián)性，然而這些等位基因單獨產(chǎn)生的相對風險很少大于0.1。對于分析多個等位基因的基因，易感等位基因和保護等位基因通常被確定在相似的比例。系統(tǒng)分析也表明了生物鐘基因和癌癥之間的相互作用。Ye等人對多種腫瘤中的生物鐘基因表達和突變進行了大規(guī)模的系統(tǒng)分析，他們發(fā)現(xiàn)，在不同類型的腫瘤中大多數(shù)核心生物鐘基因表達失調(diào)，在特定的癌癥中，單個生物鐘基因發(fā)生多重突變，并且有一些證據(jù)表明，有生物鐘基因突變的個體的生存期有所下降，雖然這一分析只能確定相互關聯(lián)而不是因果關系，但總的來說，這些結果與特定的晝夜節(jié)律紊亂是癌癥的共同特征并可能促成發(fā)病機制的假設是一致的。視交叉上核(suprachiasmaticnuclei, SCN)是哺乳動物生物鐘的發(fā)生起搏器， SCN損傷的動物表現(xiàn)為行為失常。一項被廣泛引用的研究表明，SCN受損的小鼠格拉斯哥骨肉瘤和胰腺癌異種移植瘤的生長速度均明顯加快，暗示生物鐘紊亂加速了腫瘤的生長速度。在另外一個實驗中，接受腫瘤異種移植的完整SCN小鼠每3天發(fā)生8小時的相位變化，從而表現(xiàn)出慢性時差反應；此外，其他研究也清楚地表明接觸致癌物有晝夜節(jié)律的風險，例如，與4:00p.m.暴露在紫外線下的小鼠相比，4:00a.m.暴露于紫外線的小鼠，其潛伏期縮短并且皮膚癌的多樣性增加了約5倍。然而，基因相關的研究并非那么簡單。據(jù)報道，Per2基因的無效突變使小鼠易患自發(fā)和電離輻射誘發(fā)的癌癥，這項研究被認為是IARC在其2007年的文章中提出生物鐘紊亂致癌的有力證據(jù)。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)其他核心生物鐘基因如Clock、Bmal1和Cry1/2的無效突變也并非固有的促進致癌基因形成，Cry1/2敲除基因型延遲了p53敲除小鼠的腫瘤發(fā)生，通過促進轉(zhuǎn)化細胞的凋亡將這些動物的壽命延長約50%。大多數(shù)癌癥往往是由DNA損傷引起的。似乎生物鐘以兩種特定的方式調(diào)節(jié)致癌物的作用，一個是致癌物的作用機制，另一個是與特定的核心生物鐘蛋白相互作用，例如，強有力的、DNA損傷致癌物二乙基亞硝胺導致Cry1/2敲除小鼠的膽管癌發(fā)病率比野生型小鼠增加了8倍以上，這表明Cry突變具有膽汁信號特異性效應，此外，生物鐘基因與腫瘤發(fā)生的復雜相互作用的研究強調(diào)了Bmal1敲除的研究。與野生型動物細胞對DNA破壞因子的反應相比，Bmal1敲除小鼠的胚胎成纖維細胞表現(xiàn)出極小的差異；然而，當從兩個乳腺上皮細胞系中移除相同的基因時，它們都對順鉑和阿霉素敏感，其中一株細胞系表現(xiàn)出增強的致瘤性，表明對這種細胞類型具有特異性。相反，晝夜節(jié)律功能的喪失也能使組織抵抗DNA損傷誘導的腫瘤形成；一種純合子Clock基因突變通過下調(diào)表皮生長因子受體使小鼠對二甲基苯丙蒽產(chǎn)生皮膚癌抗性介導的Ras激活。而在每一種細胞類型中，DNA損傷和生物鐘機制的特定分子組分之間似乎存在特定的關系，除了這些在損傷形成的水平上有影響的例子外，生物鐘還調(diào)節(jié)著DNA反應通路、DNA修復、DNA損傷檢查點、細胞凋亡和衰老。提到DNA修復我們都知道其存在五種修復機制，包括直接修復、堿基切除修復、核苷酸切除修復、雙鏈斷裂或交聯(lián)修復和錯配修復，其中，核苷酸切除修復在生物鐘相關研究中最為深入而廣泛。核苷酸切除修復可清除致癌的紫外線和香煙煙霧對DNA的損害，以及修復抗癌藥物順鉑引起的損害。切除修復活動基本上是由生物鐘通過兩種機制控制的：首先，組成性修復因子XPA是受生物鐘控制的；其次，單個基因轉(zhuǎn)錄的晝夜節(jié)律也驅(qū)動節(jié)律性修復，因為通過轉(zhuǎn)錄耦合修復，RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄基因的轉(zhuǎn)錄鏈優(yōu)先于非轉(zhuǎn)錄鏈修復。根據(jù)生物鐘控制基因表達最大值的時間，轉(zhuǎn)錄鏈和非轉(zhuǎn)錄連的修復可能是鎖定的相位，或者可能與每個基因在特定組織中的表達節(jié)律有關（圖2所示）。因此，了解生物鐘對與切除修復相關致癌性的影響是復雜的，因為潛在的影響可以在各個晝夜節(jié)律階段觀察到。圖2 小鼠腎臟DNA切除修復的晝夜節(jié)律控制
（左）1661個轉(zhuǎn)錄鏈和非轉(zhuǎn)錄鏈節(jié)律表達基因的相對切除修復熱圖。每個基因的Exp/Med是給定時間點的標準化讀值(Exp)除以該時間點所有基因的中位數(shù)(Med)讀值。（右）轉(zhuǎn)錄鏈和非轉(zhuǎn)錄鏈基因間DNA、弱轉(zhuǎn)錄基因、強轉(zhuǎn)錄基因和有節(jié)律轉(zhuǎn)錄基因的DNA修復的相對晝夜節(jié)律性。一些特定的生化途徑可以延緩細胞周期的進程，以應對DNA損傷，在形式上定義為細胞周期中的G1-S、intra-S、S-M和G2-M檢查點。這些細胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變受ATR和ATM損傷敏感的頂端激酶控制，通過效應器激酶激活信號通路，致靶蛋白磷酸化，延緩細胞周期進程，以應對DNA損傷。生物鐘通過兩種機制影響DNA損傷檢查點：（1）通過調(diào)節(jié)檢查點或細胞周期蛋白（包括參與G1-S轉(zhuǎn)換的p20、p21和NONO）的表達；（2）通過生物鐘蛋白直接與檢查點蛋白相互作用來改變其活性。人的TIMELESS既與CRY2結合，又與ATR-ATRIP頂端激酶結合，并調(diào)節(jié)下游CHK1激酶的活性，科研人員已經(jīng)通過類似方法證明了CRY1與TIMELESS相互作用來調(diào)節(jié)ATR-ATRIP激酶的活性，并賦予了目標蛋白CHK1和p53磷酸化的晝夜節(jié)律模式。而另一項研究聲稱，PER1通過結合蛋白質(zhì)和促進CHK2磷酸化來參與ATM→CHK2信號通路，從而增強了細胞凋亡，而有研究表明，Per1在肝和胰腺腫瘤中具有抗凋亡作用。雖然這兩種途徑具有不同的生化機制，但它們可能分別通過細胞死亡或退出細胞周期而在阻止癌細胞增殖方面發(fā)揮相似的作用。在凋亡方面，在其他野生型背景下，研究人員沒有發(fā)現(xiàn)生物鐘基因?qū)Φ蛲龅挠绊?；然而，在轉(zhuǎn)化的細胞中，通過增加p53家族成員p73的表達，Cry1/2突變增強了對紫外線或順鉑反應的凋亡通路。在衰老方面，有研究表明小鼠Bmal1突變最顯著的特性之一是早期衰老表型和壽命縮短，而且這種作用很可能是Bmal1基因所特有的。5. 生物鐘與癌基因和抑癌基因的關聯(lián)性由于生物鐘對基因表達的整體影響，生物鐘與許多致癌基因和腫瘤抑制因子相互作用，其中，c-Myc和K-ras癌基因和p53腫瘤抑制物已經(jīng)被研究者進行過研究。c-Myc基因通常在近50%的人類癌癥中發(fā)生失調(diào)。因為E-box序列（CACGTG）是CLOCK-NPAS2-BMAL1復合物的靶點，也是MYC結合位點，因此可以預期控制MYC的細胞增殖和控制晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄翻譯反饋回路會存在相互作用（圖3所示）。截至目前，研究人員已經(jīng)確定了幾個交集：（1）核心生物鐘基因似乎調(diào)控MYC的表達。CRY2與小鼠磷酸化的MYC結合，招募SCFFBXL3-E3連接酶后促進其泛素化和降解，因此，在缺乏CRY2的情況下，MYC不能泛素化，從而增加了淋巴瘤的發(fā)病率；（2）MYC似乎可以破壞轉(zhuǎn)錄翻譯反饋回路，MYC結合Nr1d1的E-box并上調(diào)Nr1d1轉(zhuǎn)錄。NR1D1蛋白與Bmal1啟動子中的ROR元件結合并抑制其轉(zhuǎn)錄，從而導致Bmal1下調(diào)，引起生物鐘在整體上失調(diào)。c-Myc基因有一個E-box轉(zhuǎn)錄因子結合位點，該位點與NPAS2-BMAL1異源二聚體結合，C-MYC蛋白結合Rev-erba啟動子增強子中的修飾E-box，導致Rev-erba上調(diào)，進而抑制Bmal1轉(zhuǎn)錄并改變生物鐘耦連基因的表達，CRY2也能結合磷酸化的c-MYC，并能將蛋白靶向到蛋白酶體上。MYC失調(diào)在淋巴增生性癌癥中很常見，生物鐘基因效應牽涉到這類癌癥中，生物鐘基因功能的喪失通常與癌癥發(fā)生的抑制有關。在低風險和進展緩慢的慢性淋巴細胞白血病中，CRY1的表達被異常的CpG高甲基化所抑制，因此，Cry1啟動子的甲基化狀態(tài)可以作為一個積極的預后指標?？偟膩碚f，來自MYC和淋巴組織增殖性癌癥研究的數(shù)據(jù)表明，相同的生物鐘成分可能加速腫瘤進展或抑制腫瘤發(fā)生，而這取決于組織或細胞類型和特定的生物鐘基因。p53基因與生物鐘之間的關系也非常復雜，一項研究發(fā)現(xiàn)Per2突變小鼠由于p53蛋白下調(diào)而易患IR誘導的癌癥，但隨后的研究表明無論Per1或Per2突變小鼠都不易患IR誘導的癌癥；此外，p53敲除后小鼠易患癌癥，通常在3個月后發(fā)生淋巴瘤或淋巴瘤，出生后6個月內(nèi)便死亡，而當p53突變與低外顯率的原癌基因突變結合時死亡速度明顯加快，然而，當Cry1/2突變與p53敲除結合時，沒有檢測到這種效應；相反，p53敲除Cry1/2突變小鼠的壽命比p53敲除小鼠延長50%?？紤]到這些結果的復雜性，我們得出的結論是Cry和Per基因不能歸類為一般的腫瘤抑制因子；此外，與MYC一樣，生物鐘會影響癌基因，癌基因也會影響生物鐘功能。p53重疊p53反應元件，通過其對Per2轉(zhuǎn)錄的作用來調(diào)節(jié)生物鐘，Per2啟動子中的E-box；因此，p53-/-小鼠的周期短，對光脈沖的相移響應異常，晝夜節(jié)律不穩(wěn)定。在一個用于研究生物鐘紊亂與癌癥相關的模型中，K-ras和p53在肺部局部缺失，且小鼠受到慢性時差或Per2或Bmal1突變的影響。在此基礎下腫瘤的發(fā)生率和進展速度均發(fā)生小幅度增長，生物鐘基因紊亂導致c-MYC表達增加，細胞增殖增強。與MYC和p53一樣，Ras也可以調(diào)節(jié)生物鐘，即Ras在野生型細胞中的過度表達導致生物鐘周期延長和細胞衰老的表型。時間化學療法是指在生理節(jié)律的適當階段給藥，以使藥效達到最佳。采用這種方法主要是由于：（1）一種藥劑的功效可能隨著一天中的時間而變化，這取決于它具體的的作用機制；（2）藥物的藥代動力學和代謝可能隨晝夜節(jié)律變化；（3）藥物的毒性也可能隨一天的時間而變化。盡管時間化學療法已經(jīng)在某些病理條件下開展臨床應用，如哮喘、高血壓和心血管疾病，但還未產(chǎn)生足夠一致的結論來證明用于癌癥治療是可行的?？蒲姓咴谝豁椵^小的研究中觀察到，計時療法在卵巢癌中具有實質(zhì)性作用，但在隨后的研究中卻沒有重現(xiàn)。同樣，歐洲一項針對大腸癌的時間療法的大型研究發(fā)現(xiàn)，對整個研究人群進行時間療法沒有任何有益的效果，然而，這項研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)治療方案相比，男性進行時相療法有變好的趨勢，但是與常規(guī)治療組相比，經(jīng)時效療法治療的婦女的死亡率提高了38％，定時給藥可能對特定人群有害。總的來說，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)并不支持時間化學療法對任何形式的癌癥治療存在增益效果。為了挖掘這種方法在癌癥治療中的潛力，還需要一種完善的并且基于機制的方案，能平衡特定藥物靶點的最佳晝夜節(jié)律、藥物的有效性和代謝以及藥物毒性。以鉑為基礎的藥物，如順鉑，它通過破壞DNA殺死癌細胞，所以被用于治療許多固體組織腫瘤。在小鼠和人類細胞系中，科研者發(fā)現(xiàn)對于整體修復在早上較低，在晚上達到最大值，晚上治療的小鼠比早上治療的小鼠表現(xiàn)出更高的修復。對于臨床應用，除了考慮正常組織基因組的晝夜修復模式外，還需要特定癌癥組織基因組的高分辨率修復圖譜來確定優(yōu)先殺死癌細胞的最佳時機，重要的是確定癌癥和正常組織之間的晝夜節(jié)律和振幅關系。在過去的25年里，科研者在了解晝夜節(jié)律鐘和癌癥的分子機制方面有了很大的進展。同樣，人們也在嘗試利用生物鐘來指導癌癥的預防和治療。在美國，人們早期認為生物鐘紊亂會促進癌癥或化療的晝夜節(jié)律改善結果的觀點，已經(jīng)被更現(xiàn)實的觀點所取代，即生物鐘與癌癥之間的聯(lián)系是高度特異性的。這一領域的某些領域正在走向成熟，可能會產(chǎn)生一些見解或揭示治療途徑。DNA切除修復在紫外線誘導的皮膚癌發(fā)展中起著關鍵作用，也是基于鉑的化療藥物作用機制的關鍵。切除修復具有很強的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)，其活動階段主要依賴于特定組織中單個基因的轉(zhuǎn)錄節(jié)律。對這些機制的進一步研究可能會取得一些進展，從而允許設計合理的時間化療，在可預見的未來，其他腫瘤和機制特異性的觀點也可能產(chǎn)生類似的治療進展。雖然時間化學療法的預期效果非常好，但生物鐘和癌癥相互作用的復雜性，為給藥時間的選擇帶來非常大的阻礙。https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33384351/
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