日本公益財團法人東京都醫學綜合研究所生物鐘項目的乙部優太研究員、吉種光項目負責人（東京大學研究生院理學系研究科副教授）等人組成的研究團隊，利用新一代質譜儀Orbitrap Astral，高精度解析了小鼠全身32個器官以及腦區中蛋白質含量及磷酸化狀態的24小時變化情況，成功構建了小鼠近日節律蛋白質組圖譜。研究人員從32個組織共584個樣本中鑑定出18,956種蛋白質，成功繪製出覆蓋UniProt（由瑞士生物資訊學研究所和歐洲生物資訊學研究所運營、提供蛋白質胺基酸序列與功能資訊的數據庫）中約74%已登錄小鼠全蛋白質的生物鐘圖譜。這些數據已在 Mouse Circadian Proteome Atlas網站 公開發佈，並有望作為研究「何時、何處、哪種蛋白質」在發揮作用的基礎資源，在未來的生物鐘研究和藥物研發中得到廣泛應用。相關研究成果已發表在《Molecular Cell》的線上版上。
圖1 對小鼠時鐘蛋白豐度的近日節律進行了全面鑑定（供圖：東京都醫學綜合研究所）
近年來，隨著新一代測序技術的發展，多個器官中的mRNA的近日節律已得到全面解析。然而，實際承擔細胞功能的是蛋白質，其數量和作用並不能僅憑mRNA的變化來說明。由於蛋白質的功能不僅受表達量影響，還會因細胞內定位或磷酸化等翻譯後修飾而發生顯著改變，因此在技術層面上捕捉全身層面的時間變化十分困難。
根據研究團隊此次構建的小鼠近日節律蛋白質組圖譜，實現了對各類蛋白質「在哪個器官」和「在什麼時刻」達到峰值的比較。例如，生物鐘轉錄因子NR1D1在多陣列織中會在小鼠的休息期出現峰值，同時也明確了它在大腦與外周組織之間的振幅存在差異。
此外，研究團隊針對作為近日節律主要器官的肝臟，對mRNA、全細胞蛋白質組、核分級蛋白質組和磷酸化蛋白質組進行了整合解析。結果顯示，在呈現節律性的mRNA中，只有約兩成在蛋白質層面也表現出節律性，表明僅憑mRNA資訊無法解譯器官功能的近日節律。此外，某些在全細胞層面看似含量恆定的蛋白質，在細胞核內卻呈現出顯著的節律性，說明時間調控的重點並非「數量」，而是「位置」。
在磷酸化解析中，研究團隊在整個肝臟中鑑定出2.6萬種磷酸化肽段，在覈分區中鑑定出7.3萬種磷酸化肽段，其中有一至兩成呈現24小時的節律變化。許多磷酸化位點的變動獨立於蛋白質豐度，該結果提示，激酶和磷酸酶的時間依賴性活性對於肝臟功能節律的形成具有重要意義。
對於以往難以解析的小面積腦區，研究團隊也從中樞生物鐘SCN中鑑定出約1.2萬種蛋白質，並發現其中大量磷酸化在主觀清晨達到峰值。結果顯示，與神經活動相關的通路可能在這一時間段被激活。
此外，在對攜帶睡眠時相前移症候群致病突變hPER2-S662G的小鼠進行解析時發現，多種時鐘蛋白的峰值時刻提前了約3小時，並確認了與行為節律變化相一致的分子層面改變。研究結果還表明，單一氨基酸突變會對全身蛋白質豐度及其磷酸化狀態產生廣泛影響，有望加深對近日節律異常與疾病風險之間關聯機制的理解。未來，該成果有望作為優化給藥時間的時間療法的基礎，推動其在醫療領域的應用。
仍有尚未完全解析的部位
項目負責人吉種光表示：「此次研究的對象是32個腦區或器官，但皮膚、膀胱、內耳等部位仍有尚未完全解析之處，今後將繼續開展相關研究。此外，我們還發現，全細胞與核提取物之間的節律性存在明顯差異。今後，我們希望進一步研究粒線體、高爾基體、突觸等更為細緻的細胞內構造。通過考察這些特徵在老化與生活方式影響下會如何變化，推動研究成果向應用拓展。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Molecular Cell
論文：Mouse Circadian Proteome Atlas by nzext-generation deep proteome analysis
DOI：10.1016/j.molcel.2025.12.020
