日本公益财团法人东京都医学综合研究所生物钟项目的乙部优太研究员、吉种光项目负责人（东京大学研究生院理学系研究科副教授）等人组成的研究团队，利用新一代质谱仪Orbitrap Astral，高精度解析了小鼠全身32个器官以及脑区中蛋白质含量及磷酸化状态的24小时变化情况，成功构建了小鼠昼夜节律蛋白质组图谱。研究人员从32个组织共584个样本中鉴定出18,956种蛋白质，成功绘制出覆盖UniProt（由瑞士生物信息学研究所和欧洲生物信息学研究所运营、提供蛋白质氨基酸序列与功能信息的数据库）中约74%已登录小鼠全蛋白质的生物钟图谱。这些数据已在 Mouse Circadian Proteome Atlas网站 公开发布，并有望作为研究“何时、何处、哪种蛋白质”在发挥作用的基础资源，在未来的生物钟研究和药物研发中得到广泛应用。相关研究成果已发表在《Molecular Cell》的在线版上。
图1 对小鼠时钟蛋白丰度的昼夜节律进行了全面鉴定（供图：东京都医学综合研究所）
近年来，随着新一代测序技术的发展，多个器官中的mRNA的昼夜节律已得到全面解析。然而，实际承担细胞功能的是蛋白质，其数量和作用并不能仅凭mRNA的变化来说明。由于蛋白质的功能不仅受表达量影响，还会因细胞内定位或磷酸化等翻译后修饰而发生显著改变，因此在技术层面上捕捉全身层面的时间变化十分困难。
根据研究团队此次构建的小鼠昼夜节律蛋白质组图谱，实现了对各类蛋白质“在哪个器官”和“在什么时刻”达到峰值的比较。例如，生物钟转录因子NR1D1在多数组织中会在小鼠的休息期出现峰值，同时也明确了它在大脑与外周组织之间的振幅存在差异。
此外，研究团队针对作为昼夜节律主要器官的肝脏，对mRNA、全细胞蛋白质组、核分级蛋白质组和磷酸化蛋白质组进行了整合解析。结果显示，在呈现节律性的mRNA中，只有约两成在蛋白质层面也表现出节律性，表明仅凭mRNA信息无法解释器官功能的昼夜节律。此外，某些在全细胞层面看似含量恒定的蛋白质，在细胞核内却呈现出显著的节律性，说明时间调控的重点并非“数量”，而是“位置”。
在磷酸化解析中，研究团队在整个肝脏中鉴定出2.6万种磷酸化肽段，在核分区中鉴定出7.3万种磷酸化肽段，其中有一至两成呈现24小时的节律变化。许多磷酸化位点的变动独立于蛋白质丰度，该结果提示，激酶和磷酸酶的时间依赖性活性对于肝脏功能节律的形成具有重要意义。
对于以往难以解析的小面积脑区，研究团队也从中枢生物钟SCN中鉴定出约1.2万种蛋白质，并发现其中大量磷酸化在主观清晨达到峰值。结果显示，与神经活动相关的通路可能在这一时间段被激活。
此外，在对携带睡眠时相前移综合征致病突变hPER2-S662G的小鼠进行解析时发现，多种时钟蛋白的峰值时刻提前了约3小时，并确认了与行为节律变化相一致的分子层面改变。研究结果还表明，单一氨基酸突变会对全身蛋白质丰度及其磷酸化状态产生广泛影响，有望加深对昼夜节律异常与疾病风险之间关联机制的理解。未来，该成果有望作为优化给药时间的时间疗法的基础，推动其在医疗领域的应用。
仍有尚未完全解析的部位
项目负责人吉种光表示：“此次研究的对象是32个脑区或器官，但皮肤、膀胱、内耳等部位仍有尚未完全解析之处，今后将继续开展相关研究。此外，我们还发现，全细胞与核提取物之间的节律性存在明显差异。今后，我们希望进一步研究线粒体、高尔基体、突触等更为细致的细胞内构造。通过考察这些特征在衰老与生活方式影响下会如何变化，推动研究成果向应用拓展。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Molecular Cell
论文：Mouse Circadian Proteome Atlas by nzext-generation deep proteome analysis
DOI：10.1016/j.molcel.2025.12.020
