综述：拟南芥生物钟的温度补偿

《npj Biological Timing and Sleep》：Temperature compensation of the Arabidopsis circadian clock

本综述系统梳理了植物（尤其是模式生物拟南芥）生物钟温度补偿机制的研究进展。文章指出，温度补偿是生物钟的核心特性之一，其分子基础涉及核心时钟基因（如CCA1、LHY、PRRs）的转录-翻译反馈环路（TTFLs）以及复杂的翻译后调控（如磷酸化、泛素化降解）。作者重点阐述了“平衡假说”和“幅度缩放假说”，并强调低温下特定时钟蛋白（如PRR5、TOC1）的靶向降解是实现周期稳定的关键。本文为理解生物钟如何适应温度波动提供了重要见解。

　　

生物钟是一种内生的、自我维持的振荡器，其周期约为24小时。这种计时系统帮助生物体使其生理和行为与昼夜循环同步。温度补偿特性尤为引人注目，它使得生物钟在生理温度范围内能够维持大约24小时的周期，尽管生化反应速率通常会随温度升高而加快。典型的生化反应Q₁₀值（温度每升高10℃反应速率增加的倍数）在2到3之间，而昼夜节律周期的Q₁₀值则在0.8到1.2之间，显示出其对温度变化的相对不敏感性。

关于温度补偿的分子机制，存在几种假说。“关键反应假说”认为，决定周期的某个关键反应或酶对温度变化不敏感。“平衡假说”则提出，至少存在两种温度敏感反应，一种负责推进时钟，另一种则起制动作用，虽然各自速率随温度变化，但整体平衡得以维持，从而实现了周期长度的稳定。“幅度缩放假说”则认为，虽然节律幅度对温度敏感，但幅度的变化有助于维持一致的周期长度。

在拟南芥中，生物钟的核心是由核心时钟基因构成的复杂转录-翻译反馈环路（TTFLs）。清晨表达的MYB转录因子CCA1和LHY直接抑制下午和傍晚表达的基因，如PRR9、PRR7、PRR5和TOC1。傍晚复合物（EC，由ELF3、ELF4和LUX组成）则在夜间抑制PRR9、PRR7等基因的表达。此外，RVE8等转录激活因子与CCA1/LHY的作用相拮抗。除了转录调控，翻译后调控也至关重要，例如CK2介导的CCA1磷酸化、ZTL和LKP2介导的PRR5和TOC1泛素化降解等。

研究表明，大多数核心时钟基因都参与温度补偿。例如，prr9 prr7双突变体在高温下周期变长，表现为“过度补偿”表型，而prr5、toc1单突变体或双突变体则在高温下周期变短，表现为“补偿不足”表型。这些表型表明PRR蛋白是重要的周期延长因子，尤其在高温下作用更为关键。低温下，E3泛素连接酶LKP2介导的PRR5和TOC1蛋白降解增强，防止了在低温下时钟周期不必要的延长，这对于维持温度补偿至关重要。

温度也直接影响核心时钟蛋白的活性和稳定性。CCA1与靶基因启动子的结合在高温下更强，而其磷酸化修饰会改变这种结合活性。CCA1和LHY蛋白在低温下通过26S蛋白酶体途径降解。傍晚复合物（EC）与DNA的结合在低温下增强，使其发挥温度传感器的作用。ELF3蛋白的凝聚状态以及其通过XBAT31介导的降解也受温度调控。

计算生物学方法为理解温度补偿提供了理论支持。数学模型表明，增加mRNA和蛋白质的降解速率倾向于缩短周期，而合成速率的变化对周期的影响则更为复杂。对拟南芥生物钟网络结构的分析提示，网络中高度抑制性的相互作用、自我调控环和三节点反馈环有助于增强温度补偿的稳健性。

虽然植物中尚未发现完全符合“关键反应假说”的温度不敏感生化反应，但在其他生物中有启发性的例子。例如，蓝细菌KaiC的ATP酶活性在25℃到45℃范围内是温度补偿的，其温度依赖的全局分子运动对于维持补偿至关重要。哺乳动物CK1δ激酶对PER2肽段的磷酸化活性也是温度补偿的，这与其在高温下对底物亲和力降低、对产物亲和力升高的特性有关。

综上所述，拟南芥生物钟的温度补偿并非依赖于单个温度不敏感反应，而是通过核心时钟网络组件的复杂相互作用实现的。特别是周期延长因子（如CCA1、LHY、PRR5、TOC1）在高温下活性增强或积累，以及它们在低温下的靶向降解，对于在不同环境温度下维持稳定的~24小时周期至关重要。多种已知和尚未完全阐明的温度依赖性调控机制共同构成了植物适应广泛环境温度的温度补偿基础。