结合谱系相关性与小分子抑制剂检测细胞周期的昼夜节律调控：为癌症治疗开辟新径

《iScience》：Combining lineage correlations and a small molecule inhibitor to detect circadian control of the cell cycle

在癌症治疗中，昼夜节律对细胞周期的调控是否存在及如何检测尚存争议。研究人员通过构建随机生化模型，研究昼夜节律时钟 - 细胞周期振荡器的基因网络。结果表明，结合 KL001 和谱系相关性测量可检测时钟对细胞周期的控制，为癌症的时间疗法提供理论依据。

　　在生命的奇妙世界里，细胞的增殖活动就像一场有序的舞蹈，而这场舞蹈似乎还遵循着某种神秘的时间规律。早在 20 世纪 40 年代，科学家就发现小鼠和大鼠十二指肠上皮细胞的有丝分裂率存在 24 小时的振荡现象，这暗示着细胞周期或许受昼夜节律时钟（Circadian clock）的控制。随后，更多研究发现，不仅肠道细胞，皮肤、骨髓等多种组织细胞的增殖也存在类似节律，而且部分在持续黑暗条件下仍有节律，说明这一现象是由内源性昼夜节律时钟驱动，而非外界的光暗循环。

随着研究深入，科学家发现了昼夜节律时钟与细胞周期之间的一些分子联系，比如 p53、c - myc、WEE1 等细胞周期关键基因的转录，会直接受昼夜节律时钟蛋白的调控，主要作用于细胞周期的 G1 - S 和 G2 - M 转换阶段。这一发现让人们看到了癌症时间疗法（Chronotherapy）的希望，即根据癌细胞增殖的节律，在其快速分裂的高峰期给药，有望更有效地消灭癌细胞。

然而，现实并非如此简单。一些研究却未能发现细胞增殖的节律，早期对 albino rats 的研究显示肠道上皮细胞是持续更新的，近期利用单细胞和延时显微镜的研究也得出了相互矛盾的结果，甚至有研究认为是细胞周期控制昼夜节律时钟，而非传统观点认为的反向调控。这些争议表明，我们需要更准确的方法来检测昼夜节律时钟与细胞周期之间的联系，以及确定这种联系的方向。

在此背景下，来自国内的研究人员开展了一项深入研究。他们构建了随机计算模型，结合谱系相关性测量和小分子抑制剂 KL001，试图解开昼夜节律时钟是否控制细胞增殖这一谜题。该研究成果发表在《iScience》杂志上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 构建模型：建立了三种耦合昼夜节律时钟 - 细胞周期基因网络的随机生化模型（Model 1、Model 2 和 Model 3），用常微分方程（ODEs）描述基因网络，再通过化学朗之万方程（CLE）框架转化为随机微分方程（SDEs）进行模拟。
2. 谱系模拟：开发了谱系模拟框架，模拟单个细胞的时钟 - 细胞周期网络，用 R 语言的 IGRAPH 包将细胞谱系表示为有向图，研究相关细胞间的有丝分裂间期（IMT）相关性。
3. 模拟抑制剂作用：通过降低模型中 PER/CRY 复合物的降解速率，模拟小分子抑制剂 KL001 对昼夜节律时钟的影响。

下面来看具体的研究结果：

1. 随机生化模型构建：研究人员构建了三个不同复杂程度的模型，用于探索昼夜节律时钟和细胞周期基因网络产生谱系相关性的可能性。Model 1 包含昼夜节律时钟的 PER - CRY 负反馈调节环和由 MPF 驱动的简化细胞周期模型；Model 2 在 Model 1 基础上加入 REV - ERBα 环，引入细胞周期对昼夜节律时钟的反向调控；Model 3 采用更现实的由四个 Cyclin/Cdk 复合物驱动的细胞周期模型，并研究了昼夜节律时钟控制细胞周期的两种分子机制。通过这些模型模拟细胞分裂过程，得到了与实验相符的 24 小时振荡结果123。
2. 昼夜节律时钟介导的正向耦合重现实验观察到的相关结构：通过调整正向或反向耦合强度，研究发现正向耦合可使细胞周期蛋白 MPF 的振荡频率从自主周期的 1/20 hour^-1转变为昼夜节律时钟周期的 1/24 hour^-1，表明细胞周期被昼夜节律时钟驱动；反向耦合则使 BMAL1/CLOCK 的振荡频率从 1/24 hour^-1转变为 1/20 hour^-1，即昼夜节律时钟被细胞周期驱动。同时，研究发现正向耦合能产生 “表亲 - 母女不平等” 现象（即表亲细胞间的 IMT 相关性强于母女细胞对），且这种现象在平均自主细胞周期时间为 12 - 24 小时时更明显，而反向耦合则无法产生该现象456。
3. KL001 介导的昼夜节律时钟抑制导致表亲 - 母女不平等现象大幅减少：研究人员模拟了 KL001 对昼夜节律时钟的抑制作用，发现随着 KL001 浓度增加，昼夜节律振荡减弱，细胞周期时间分布的变异性降低，表亲 - 母女不平等现象减少了 50%。而细胞增殖率在 KL001 处理后仅有 2% 的微小增加，几乎难以检测到。这表明检测 KL001 处理后表亲 - 母女不平等现象的变化，比检测细胞增殖率更能灵敏地反映昼夜节律时钟对细胞周期的控制789。
4. 昼夜节律时钟诱导不同自主细胞周期细胞增殖高峰的相位偏移：研究人员通过模拟不同自主细胞周期（12h、20h 和 24h）的细胞，发现与昼夜节律时钟耦合时，细胞周期各阶段（以 M 期为例）的比例呈现 24 小时的振荡。虽然不同细胞周期的振荡周期相同，但增殖高峰出现的时间存在明显相位差异，这就为癌症治疗创造了 “治疗窗口”，可以优先靶向癌细胞，减少对正常细胞的毒性101112。

研究结论和讨论部分指出，通过随机、机制模型预测，BMAL1 - CLOCK 驱动细胞周期的 WEE1 通路以及 REV - ERBα 介导的对 Cdk 抑制剂蛋白 p21 的抑制，足以通过细胞周期时间的谱系相关性来检测对细胞增殖的控制。并且，即使这种分子联系对细胞周期的控制较弱，不会显著影响增殖率，但仍能在快速和慢速增殖细胞的增殖高峰之间产生明显的相位差异，为癌症的时间疗法提供了潜在的应用价值。

该研究提出的方法只需在体外测量细胞周期时间的谱系相关性，以及在加入小分子抑制剂 KL001 后重复测量，无需添加同步剂，为检测昼夜节律时钟对细胞周期的控制提供了新的思路。不过，该方法也存在一定局限性，如可能仅适用于部分细胞类型，结果解释可能受到细胞周期和时钟周期组合、噪声以及其他隐藏变量的影响。但总体而言，这项研究为深入理解昼夜节律时钟与细胞周期的关系，以及癌症的时间疗法提供了重要的理论基础和研究方向。