昼夜节律俗称生物钟，是生物在进化过程中为了适应地球环境的昼夜更替而形成的一种节律性的生命活动规律。地球上几乎所有的生物，包括人类、动物、植物甚至是微生物等，都受到昼夜节律的控制和影响。昼夜节律的准确性和稳定性与健康息息相关，一旦被打乱，可引起睡眠障碍、免疫力下降、代谢紊乱、精神抑郁，严重时会导致糖尿病、肿瘤等重大疾病的发生。大脑的视交叉上核（SCN）是昼夜节律的指挥中枢，可以接受来自眼睛的光照信息，通过神经投射和递质分泌的方式，协调外周器官的生物钟，调控多种生理功能，包括运动、饮食、体温、血压、免疫力等。然而，SCN如何维持机体内部节律稳定性，从而抵御外界环境的干扰，尚不清楚。
2023年6月2日，国家生物医学分析中心李慧艳研究员团队和张学敏院士团队联合在国际顶级学术杂志Science（IF:63.7）上发表了题为Rhythmic Cilia Changes Support SCN Neuron Coherence in Circadian Clock的研究论文[1]。国家生物医学分析中心李慧艳研究员和张学敏研究员为该论文的共同通讯作者，涂海情副研究员，博士研究生李森、许钰铃，博士后张宇程为该论文共同第一作者。清华大学生物医学测试中心为该研究提供了技术支持。
该研究发现大脑视交叉上核（SCN）神经元长有初级纤毛并且具有节律性变化规律，进一步发现初级纤毛是调控机体节律的细胞器，揭示出生物钟“有形”指针的存在及其节律调控机制。此项科学突破不仅加深了对昼夜节律本质的认识，也为节律紊乱相关疾病的治疗开辟了全新途径。
图片来源：《Science》
（https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1962）
研究材料
该研究构建了多种条敲及标光小鼠模型，包括Nms-Ift88、Nms-Ift20两种SCN纤毛缺陷小鼠，Nms-Smo、AAV-Cre/Shhfl/fl SCN区Hedgehog通路缺陷小鼠（Shhfl/fl小鼠由赛业生物提供），以及Nms-Tdtomato、Vip-Tdtomato等标光小鼠。还用到了Bmal1-/-、Per2::Luciferase等小鼠模型。
研究方法
该研究运用了组织透明化双光子成像技术、活细胞动态成像技术、小鼠昼夜节律行为监测技术、单细胞荧光成像技术、组织脑片生物节律光度测定技术，以及组织化学、免疫荧光、RNAscope、QPCR、免疫印迹等分子生物学技术。
技术路线
1. 发现SCN纤毛节律性变化规律
2. 确认SCN纤毛来源细胞类型
3. 评价SCN纤毛生理功能
4. 阐明纤毛调控节律具体机制
研究结果
研究首先通过透明化染色成像发现小鼠大脑节律调控中枢SCN长有大量初级纤毛，进一步分不同时间点对SCN区切片染色，对纤毛数量和长度统计分析发现SCN纤毛具有明显的节律性变化规律，表现为在白天逐渐减少，晚上逐渐增多，与节律基因Cry1的振荡相位相反（图1）。此外作者还检测了其他长有纤毛的脑区和组织器官，发现纤毛并没有节律性变化，证明纤毛的节律性在SCN区具有特异性。
图1 SCN长有初级纤毛并且具有节律性变化[1]
接下来作者对SCN不同类型的神经元和纤毛进行共同标记染色，发现纤毛绝大多数存在于NMS神经元上（图2，A至C）。随后作者利用Nms-Cre小鼠构建了SCN纤毛特异缺陷的小鼠，对该小鼠进行倒时差的昼夜节律行为学评价，发现对照小鼠需要9-11天才能适应新的时间周期，而纤毛缺陷小鼠只需1-3天就能完全适应（图2，D至H）。
图2 SCN纤毛缺陷小鼠倒时差适应加快[1]
作者进一步通过单细胞荧光成像试验揭示了SCN纤毛缺失神经元间的耦合作用减弱，经河豚毒素（TTX）处理再洗掉后，无法恢复细胞间的同频共振，同时也失去了对温度的抵抗能力（图3）。因此，初级纤毛能够调控SCN区域神经元的通讯耦合过程。
图3 纤毛维持SCN神经元的通讯耦合[1]
进一步机制研究发现纤毛驱动了下游Hedgehog通路节律性的激活，通过敲除小鼠（Shhfl/fl小鼠由赛业生物提供）阻断Hedgehog通路，出现了和SCN纤毛缺陷小鼠同样的表型，小鼠快速适应倒时差过程（图4）。更重要的是，用Hedgehog通路抑制剂处理后小鼠也具有同样的表型，该发现为节律调控新药研发开辟了新的路径。
图4 靶向抑制Hedgehog通路小鼠倒时差适应加快[1]
最后，作者发现纤毛及其下游Hedgehog通路调控了多个节律基因（Per1、Cry1、Bmal1、Clock）以及介导SCN耦合作用的神经肽（Vip、Avp、Grp、Prok2）的节律性表达（图5），进而维持了内部节律的稳定。
图5 多个节律基因及介导SCN耦合作用的神经肽的节律性表达[1]
研究结论
综上，该研究首次发现了生物钟“有形”指针的存在，揭示了纤毛及Hedgehog通路调控昼夜节律的功能和机理。随着现代社会的快速发展，越来越多的人受到节律紊乱问题的困扰，表现为睡眠障碍等症状。由于缺乏对昼夜节律调节机制的认识，当前国际上尚未能研究出基于昼夜节律的有效治疗药物，该研究成果对昼夜节律本质的认识及昼夜节律紊乱疾病的治疗具有重要理论和实际意义。
原文检索：
[1] TU H Q, LI S, XU Y L, et al. Rhythmic cilia changes support SCN neuron coherence in circadian clock [J]. Science, 2023, 380(6648): 972-9.
