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基础所刘德培组发现内源性H2O2近日节律振荡调控生物钟相关研究结果发表在Nature Cell Biology

        北京时间2019年11月26日,中国医学科学院基础医学研究所生物化学与分子生物学系/医学分子生物学国家重点实验室刘德培团队在Nature Cell Biology上以长文形式发表了题为“Diurnal oscillations of endogenous H2O2 sustained by p66Shc regulate circadian clocks”的文章,第一次揭示了氧化还原信号在一个近日节律周期(24小时)内的变化规律,找到了氧化还原信号节律和经典生物节律转录翻译负反馈调控机制之间直接耦合的关键点,证明了氧化还原信号节律在生物节律中的重要生理作用。



众所周知,几乎所有生命活动都具有生物节律振荡现象,其背后的机制目前存在两种理论,一种是已经被诺奖所认可的基于基因转录的转录翻译负反馈环路(TTFL),另一种则是机制尚不清楚的基于代谢的氧化还原振荡子,两种机制之间是否存在直接联系已经在领域内被探索和讨论了很长一段时间仍悬而未决。


该课题组对单个细胞以及小鼠肝脏内的过氧化氢(H2O2)水平在不同时间点进行测定,发现H2O2水平呈现近日节律振荡。采用巧妙筛选策略,该课题组发现核心生物节律调控分子CLOCK蛋白可以直接感受内源性H2O2的振荡。通过构建点突变小鼠证明半胱氨酸195位点可以直接被内源性H2O2有节律地氧化修饰,而这一修饰对于正常的生物节律不可或缺。该课题组还证明此前该实验室研究发现的表观修饰酶SIRTUIN家族中SIRT1的下游分子p66Shc蛋白是内源性H2O2节律振荡的关键因子,敲除该关键因子可以扰乱内源性H2O2节律,破坏CLOCK氧化还原修饰的正常振荡节律和生物钟功能,最终导致小鼠肝脏转录组振荡重塑,增加小鼠自由周期时长,影响光对于小鼠节律行为重调定。该研究第一次真正弥合了转录不依赖的氧化还原振荡节律和依赖于转录的转录翻译负反馈环路(TTFL)机制两大学术观点之间的鸿沟,大大增加了人们对于驱动生物节律振荡的根本机制的认识。



        鉴于该研究工作的意义,瑞士的日内瓦大学Ueli Schibler教授在同期Nature Cell Biology上发表评论,高度评价了该工作,认为该工作“actually help in resolving the question of whether TTFL-independent redox oscillators exist in mammalian cells”,并认为“WT CLOCK–BMAL1, but not CLOCKC195S– BMAL1, should rhythmically activate its target genes even in the absence of CRY and PER proteins”。(评论链接:https://www.nature.com/articles/s41556-019-0430-2)



刘德培课题组2011级直博生裴建飞(右三),2016级直博生李勋凯(左一)和2015级直博生李文琪(左二)为并列第一作者,刘德培院士(左三)和陈厚早教授(右二)为共同通讯作者。本研究的合作者有原中国医学科学院基础医学研究所生理系曹济民课题组(现山西医科大学),北京生命科学研究所张二荃课题组,国家蛋白质科学中心杨靖研究员,以及Scripps研究所的Kate S. Carroll研究员。本研究得到了医科院创新工程(CIFMS2017-I2M-1-008, 2016-I2M-1-015 and 2016-I2M-1-011)、基本科研业务费(2019-RC-HL-006)、国家自然科学基金(nos. 91849207, 81701387, 91639304, 31471126 and 31571193)、中国医学科学院医学表观遗传学研究中心(2017PT31035 and 2018PT31015)、国家博士后科研基金专项资助(2017T100051)和青年人才奖励项目的资助。(文章链接:https://www.nature.com/articles/s41556-019-0420-4