青科沙龙第148期 | 生物钟专题-解读最新Nature和Cell论文

--本期青科沙龙关键词--

生物钟            解读CNS

RUVBL2      aGVHD

直播介绍

生物钟节律研究一直是科研的热门方向，在调研了一线科研工作者的需求后，华安生物联系并邀请到了北京生命科学研究所/清华大学博士生刘艳琴与中国科学技术大学博士侯熠文作为讲者对其近期的研究分别进行分享，分享主题分别为The P-loop NTPase RUVBL2 is a conserved clock component across eukaryotes与优化移植时间改写急性移植物抗宿主病防治格局。

讲

者

介

绍

刘艳琴，现为北京生命科学研究所与清华大学联合培养2020级博士生。2020年获中国农业大学学士学位，同年进入北京生命科学研究所张二荃实验室，从事生物钟领域分子机制研究。于今年在Nature以第一作者发表论文。目前的研究方向是昼夜节律分子调控机制。

侯熠文，中国科学技术大学博士后，主要从事神经免疫和昼夜节律对免疫疾病的研究。主持国家自然科学基金-青年项目，以第一作者(含共同)在Cell、Science Advances和Analytical Chemistry 等期刊发表论文。

研 究 介 绍

研究一

在真核生物中，昼夜节律钟通过转录-翻译反馈回路实现计时功能，该机制在真菌、植物和动物等不同物种中表现出相似的结构特征。然而，尽管这些生物钟的运作机制类似，其分子组成成分的差异却暗示这些生物钟可能起源于多次独立的进化事件，而非单一的共同祖先。

2025年3月26日，清华大学张二荃课题组在Nature期刊在线发表了题为"The P-loop NTPase RUVBL2 is a conserved clock component across eukaryotes"的重要研究成果。该研究通过多物种比较分析，首次证实P-loop NTP酶家族成员RUVBL2在真核生物昼夜节律系统中具有进化保守的核心调控功能。

研究揭示RUVBL2作为P-loop NTP酶，通过独特的慢速ATP酶活性调控昼夜节律周期。该蛋白此前已被证实是哺乳动物生物钟超复合物的关键组分，可调节昼夜节律的相位和振幅。引人注目的是，其调控机制与蓝藻中已充分研究的KaiC时钟蛋白高度相似。研究人员通过系统性筛选获得三类功能性RUVBL2突变体：节律紊乱型、短周期型和长周期型。当通过腺相关病毒载体将这些突变体递送至小鼠视交叉上核（SCN）后，可显著改变其自主运动活动的昼夜节律模式。深入的酶动力学分析表明，野生型RUVBL2的ATP水解活性极低，每日仅催化约13个ATP分子水解，其周转率较典型ATP酶显著降低。研究进一步在人类、果蝇和脉孢菌中发现：1）RUVBL2直系同源物与各物种核心时钟蛋白存在保守的物理相互作用；2）跨物种的RUVBL2突变均导致一致的节律表型。这些发现不仅确立了RUVBL2在真核生物昼夜节律系统中的核心地位，也首次证实了慢速ATP酶活性这一最初在蓝藻时钟中发现的特征性机制，在真核生物中同样具有进化保守性。

研究过程

昼夜节律钟作为细胞自主的分子计时器，通过复杂的转录反馈网络调控众多基因的节律性表达，从而维持机体的生理稳态。该系统主要由相互交织的转录-翻译反馈环（TTFL）构成，其核心机制包含以下几个关键环节：（1）转录因子与DNA启动子区域的顺式元件结合，激活靶基因（包括自身抑制因子）的表达；（2）随着抑制蛋白在胞质中积累并转位至细胞核；（3）核内抑制蛋白与转录因子相互作用，最终抑制其自身转录，形成约24小时的周期性振荡。研究表明，这种以核心环和附属环分级调控为特征的TTFL模型，在多种真核生物钟系统中具有普遍适用性。

然而，现有TTFL模型仍面临若干理论和实验层面的挑战：首先，在进化起源方面，尽管真核生物钟系统架构高度保守，但其核心元件却存在显著差异。例如，植物中尚未发现与动物Period蛋白同源的功能类似物，这一现象支持生物钟系统可能具有多个独立起源的假说。其次，在能量代谢方面，由于转录和翻译过程消耗细胞约75%的能量预算，TTFL模型需要解释系统如何克服热力学障碍：即如何在高熵的细胞环境中，通过持续的能量输入来维持高度有序的昼夜节律振荡。这一能量需求可能构成了生物钟运行的重要能障。

文章研究机制图

分子进化研究表明，RuvB-like（RUVBL）AAA+-ATP酶亚家族基因可能是调控真核生物昼夜节律系统的共同祖先基因。这一结论得到以下证据支持：（1）RUVBL基因在进化上的高度保守性；（2）RUVBL1/2蛋白在哺乳动物生物钟megadalton级超复合体中的精确定位。特别值得注意的是，与蓝藻生物钟核心蛋白KaiC类似，RUVBL2表现出独特而稳定的低活性ATP酶特性，其催化效率（约13个ATP分子/天）较常规ATP酶（10³-10⁷个ATP分子/天）显著降低。

前期研究已证实，药物干扰RUVBL2可显著改变哺乳动物生物钟的节律相位和振幅。基于昼夜节律周期长度是鉴定核心时钟成分的最可靠指标，本研究通过遗传筛选系统鉴定了RUVBL2的多个功能突变体，包括：周期缩短型、周期延长型以及节律紊乱型。生化分析证实这些表型变异均与ATP酶活性改变直接相关。更重要的是，这一发现在人类、果蝇和真菌等不同真核生物钟系统中均得到验证。该研究首次确立RUVBL2作为真核生物钟系统的核心保守组分，证实了慢速ATP酶活性这一最初在蓝藻中发现的特征性机制，在真核生物钟系统中同样具有进化保守性，为理解生物钟的分子进化提供了新视角。

研究二

造血干细胞移植为恶性血液肿瘤和严重血液疾病患者带来了治愈希望，但急性移植物抗宿主病（aGVHD）的防治仍是临床面临的重大挑战。作为移植后主要并发症之一，aGVHD不仅显著增加患者死亡率，还严重影响长期生存质量，给医疗系统带来沉重负担。最新流行病学数据显示，aGVHD的发病率居高不下。根据《异基因造血干细胞移植急性移植物抗宿主病诊断与治疗中国专家共识（2024年版）》，2023年中国不同移植类型中aGVHD发生率分别为：单倍体移植39.5%、同胞全相合移植24.0%、非血缘全相合移植40.3%。值得注意的是，重度aGVHD发生率高达13.5%，且相关死亡率达到55%，凸显当前防治策略的局限性。面对这一全球性医学难题，科研界正加速推进新药研发。截至2023年，全球研发管线中已有9个aGVHD治疗药物进入Ⅲ期临床试验，30余个处于Ⅱ期研究阶段，更有多个创新疗法处于早期开发。

2025年3月31日，中国科学技术大学血液病研究所占成教授与朱小玉主任医师团队在Cell期刊发表了题为"Optimizing Stem Cell Infusion Timing in the Prevention of Acute Graft versus Host Disease"的突破性研究成果。该研究通过多中心临床试验证实，优化造血干细胞输注时机可显著降低aGVHD发生率，为移植并发症防治提供了创新性解决方案。

研究过程

研究团队创新性地从昼夜节律调控这一全新视角切入，为aGVHD防治提供了新思路。通过构建同种异基因和人源化aGVHD小鼠模型，研究人员系统考察了昼夜不同时段干细胞输注对疾病发生的影响。研究发现，在小鼠活跃期（相当于人类晨间时段）进行干细胞输注，相较于非活跃期（相当于人类夜间时段），能显著减轻aGVHD临床症状并延长生存期。为深入探究其作用机制，研究团队设计了一系列严谨的实验方案：通过建立持续黑暗环境模型消除外界光周期影响；构建节律紊乱模型观察节律破坏的后果；采用视交叉上核损毁实验验证中枢生物钟的关键作用；利用节律基因敲除动物模型确证分子机制；同时设置供体干细胞采集时间对照实验，最终证实这一保护效应主要取决于受体的内在节律状态，而非供体干细胞的采集时间。

研究团队通过临床与基础研究相结合的方式，系统验证了移植时间对aGVHD的影响及其潜在机制。在临床研究中，团队首先分析了单中心外周血造血干细胞移植患者数据，以14:00为界分组比较发现：晨间移植组（<14:00）的aGVHD发生率显著低于午后组（≥14:00），且GRFS明显改善。这一结果在中国多中心单倍体移植队列中得到了独立验证。

机制研究表明，移植时机与机体炎症状态密切相关。在晨间苏醒初期（人体晨间/小鼠ZT14），血清中IL-1α等促炎因子水平显著低于活跃期（人体午后/小鼠ZT5），形成相对温和的炎症微环境。这种微环境可有效抑制供体T细胞的活化、增殖及IFNγ分泌。动物实验进一步证实，在ZT14进行移植可显著降低脾脏T细胞活化和记忆型T细胞形成。进一步研究发现，回输前患者体内 IL-1α 浓度与移植后 aGVHD 严重程度呈正相关，体外培养和动物实验都验证了 IL-1α 的促炎作用以及 IL-1 受体拮抗剂的抑制作用，预防性使用 IL-1α 单克隆抗体，能够显著减轻 ZT5 组小鼠 aGVHD 的严重程度。

文章研究机制图

本研究取得重要突破，首次证实优化造血干细胞移植时间窗可显著降低aGVHD发生率并改善患者预后。研究创新性地揭示了生物节律调控免疫微环境的关键机制，具有多重重要意义：在临床层面开创了基于昼夜节律的aGVHD预防新策略；在科研层面确立了移植时间这一关键变量；在机制研究方面阐明了"神经-免疫"调控轴的作用；同时推动了时间医学与移植医学的交叉融合。该成果为aGVHD防治提供了创新性解决方案，具有重要的临床应用价值和深远的科学影响。基于以上研究成果，研究团队乘胜追击，启动两项前瞻性多中心随机对照临床研究（NCT06294678，NCT06294691），进一步验证移植时间优化策略的临床效果，其研究成果也将为临床指南的修订提供关键依据，推动临床实践朝着更科学、更精准的方向发展。

The P-loop NTPase RUVBL2 is a conserved clock component across eukaryotes | Nature

Optimizing stem cell infusion timing in the prevention of acute graft-versus-host disease: Cell

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