特別說明：本文由學研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術(shù)中心）實際上，所有哺乳動物的生理功能都受內(nèi)部晝夜節(jié)律或生物鐘的控制。這種晝夜節(jié)律由下丘腦中的主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步全身細胞中外圍時鐘的活動。現(xiàn)代生活中常見的環(huán)境擾動，例如人造光和國際旅行，會擾亂晝夜節(jié)律，從而對身心健康造成不利影響。有鑒于此，復旦大學張學敏院士及國家生物醫(yī)學分析中心李慧艷研究員等人報告初級纖毛是SCN神經(jīng)元之間的細胞間耦合所必需的，以維持小鼠內(nèi)部生物鐘的穩(wěn)健性。產(chǎn)生神經(jīng)調(diào)節(jié)素S (NMS)的神經(jīng)元中的纖毛在豐度和長度上表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律性。NMS神經(jīng)元中纖毛發(fā)生的遺傳消融使內(nèi)部生物鐘在時差條件下發(fā)生快速相移。纖毛缺陷型SCN切片中單個神經(jīng)元的晝夜節(jié)律在外部擾動后失去了連貫性。有節(jié)奏的纖毛變化驅(qū)動聲波刺猬 (Shh)信號和時鐘基因表達的振蕩。NMS神經(jīng)元中Shh信號的失活表型復制了纖毛消融的影響。因此，SCN中的纖毛-Shh 信號有助于細胞間耦合。SCN中的初級纖毛表現(xiàn)出晝夜節(jié)律變化作者檢查了小鼠大腦中原發(fā)性纖毛的分布，發(fā)現(xiàn)許多SCN神經(jīng)元含有原發(fā)性纖毛。因為SCN 是主要的晝夜節(jié)律起搏器，測試了SCN神經(jīng)元的初級纖毛在明暗 (LD)和暗暗(DD)周期中的振蕩節(jié)律。結(jié)果表明在維持LD周期和DD循環(huán)的小鼠中，初級纖毛的數(shù)量和長度都顯示出明顯的晝夜節(jié)律性，且這些纖毛振蕩不是由光驅(qū)動，而是由內(nèi)部節(jié)律驅(qū)動。進一步研究表明，在大多數(shù)細胞中，纖毛豐度和長度與細胞周期進程密切相關(guān)，纖毛的節(jié)律性與細胞周期無關(guān)，纖毛的節(jié)律性受時鐘輸出調(diào)節(jié)。
圖 SCN 中的初級纖毛表現(xiàn)出豐度和長度的晝夜節(jié)律變化為了識別SCN中纖毛神經(jīng)元的細胞類型，將Nms-Cre 或Vip-Cre小鼠與Rosastop-tdTomato報告小鼠雜交以標記 NMS 或 VIP 神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)初級纖毛主要存在于視交叉上核的NMS神經(jīng)元上。通過有條件地刪除纖毛發(fā)生所需的兩個基因Ift88或Ift20，專門破壞了 NMS 神經(jīng)元中的初級纖毛。NMS 神經(jīng)元中Ift88或Ift20的缺失不影響小鼠發(fā)育或SCN的形態(tài)。通過監(jiān)測Nms-Ift88?/?或Nms-Ift20?/?小鼠的運動活動研究了初級纖毛是否有助于SCN的起搏器功能，結(jié)果表明表明NMS神經(jīng)元中的初級纖毛影響晝夜節(jié)律的夾帶，支持纖毛在 NMS 神經(jīng)元中的晝夜節(jié)律控制中的特定作用。
圖 NMS 神經(jīng)元中的初級纖毛賦予固有生物鐘穩(wěn)健性SCN神經(jīng)元依靠細胞間耦合來維持內(nèi)在的晝夜節(jié)律行為，細胞間耦合賦予神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性并同步各個細胞振蕩器的周期。為了測試SCN神經(jīng)元之間的細胞間耦合是否需要初級纖毛，使用了從對照或表達小鼠分離的SCN切片的實時熒光素酶發(fā)光成像，結(jié)果表明NMS神經(jīng)元中的初級纖毛似乎促進細胞間耦合。進一步測試了SCN中的初級纖毛是否有助于抵抗循環(huán)溫度夾帶，發(fā)現(xiàn)無纖毛的 SCN對循環(huán)溫度變化的抵抗力較弱。這種抵抗可能源于SCN中依賴纖毛的細胞間偶聯(lián)。
圖 初級纖毛促進 SCN 中的神經(jīng)元間耦合Hedgehog信號維持SCN的晝夜節(jié)律為了研究NMS神經(jīng)元中的初級纖毛如何介導細胞間偶聯(lián)，檢查了Avp和 Vip受體的功能， Avp和Vip受體不定位于纖毛，并且Vip受體功能在 NmsIft88?/?小鼠中保持正常。在LD和DD條件下，兩個Shh信號轉(zhuǎn)導靶基因 Gli1和Ptch1的表達在SCN中表現(xiàn)出節(jié)律性振蕩，在 Nms-Ift88?/?小鼠或 Bmal1 缺陷小鼠中消失，因此 Shh信號可能在中央時鐘的調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用。進一步研究結(jié)果表明Shh信號是內(nèi)部生物質(zhì)對環(huán)境時間因素的抵抗所必需的。為了測試Shh信號是否也在SCN的神經(jīng)元間耦合中發(fā)揮作用，使用單細胞實時熒光素酶發(fā)光成像分析分析了SCN切片中的晝夜節(jié)律。表明Shh信號可能促進SCN神經(jīng)元之間的細胞間耦合。
圖 Hedgehog信號維持 SCN 的晝夜節(jié)律纖毛刺猬信號調(diào)節(jié)時鐘基因和神經(jīng)肽的節(jié)律由于生物鐘控制著對神經(jīng)元間通訊很重要的多個基因的轉(zhuǎn)錄，作者檢查了核心時鐘基因的表達。然后研究了已知介導細胞間偶聯(lián)的神經(jīng)肽的節(jié)律表達。幾種神經(jīng)肽基因的節(jié)律性，包括Vip、胃泌素釋放肽 (Grp)、Avp 和原動力蛋白2(Prok2)，在Nms-Ift88?/?和Nms-Smo?/?小鼠中發(fā)生了改變。如免疫熒光測定所示，Nms-Ift88?/?和 Nms-Smo?/?SCN中Vip和Grp的蛋白質(zhì)濃度顯著降低。因此，SCN神經(jīng)元中纖毛的耗竭導致核心生物鐘基因和神經(jīng)肽的振蕩減弱。
圖 纖毛刺猬信號調(diào)節(jié)時鐘基因和神經(jīng)肽的節(jié)律DONG WON KIM, et al. A super Sonic circadian synchronizer. Science, 2023, 380(6648): 896-897.DOI: 10.1126/science.adi3177https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi3177HAI-QING TU, et al. Rhythmic cilia changes support SCN neuron coherence in circadian clock. Science, 380(6648): 972-979DOI: 10.1126/science.abm1962https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1962
