題圖 | Pixabay

撰文 | 王聰

我們的身體內(nèi)部有一個精密的“生物鐘”，它控制著睡眠-覺醒周期、體溫波動、激素分泌等生理過程的晝夜節(jié)律。這個生物鐘的核心是一組相互作用的蛋白質(zhì)，其中 PER2 蛋白是生物鐘的核心調(diào)控因子，其穩(wěn)定性直接影響生物鐘的周期長度，當(dāng) PER2 蛋白的第 662 位絲氨酸（S662）被磷酸化修飾時，PER2 蛋白會變得穩(wěn)定，生物鐘周期延長；反之，如果這個位點不能被磷酸化修飾，PER2 蛋白降解加快，生物鐘周期縮短。

早在 2001 年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)PER2基因的 S662G 突變（絲氨酸變?yōu)楦拾彼幔?dǎo)致家族性睡眠相位前移（FASP）綜合征，這是一種常染色體顯性遺傳的晝夜節(jié)律紊亂，表現(xiàn)為睡眠相位前移（通常比正常人早睡早起約 4 個小時），且他們的生物鐘周期也明顯縮短。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了 S662 磷酸化在生物鐘調(diào)控中的關(guān)鍵作用，但 25 年來，科學(xué)家們一直在尋找真正在體內(nèi)磷酸化這一位點的“生理性激酶”。

近日，饒毅教授團(tuán)隊（劉玉祥、李揚、余騰輝、王濤為論文共同通訊作者）在 Cell 子刊Cell Chemical Biology上發(fā)表了題為：Discovery of MARK2 as a physiological kinase for PER2 in the mammalian clock 的研究論文。

這項工作不僅鑒定出了長期尋找的、對PER2進(jìn)行關(guān)鍵磷酸化修飾的生理激酶——MARK2，解決了領(lǐng)域內(nèi)存在的一個長達(dá) 25 年的未解之謎，還展示了在遺傳學(xué)方法之外，生化方法對于揭示生命復(fù)雜現(xiàn)象背后的精確分子機制具有不可替代的強大作用。這一發(fā)現(xiàn)為理解睡眠障礙的分子機制提供了全新視角，也為睡眠障礙的治療帶來了潛在新靶點。

圖：論文截圖

核心發(fā)現(xiàn)：

• 生化純化鑒定出 MARK2 是 PER2 S662 激酶；

• MARK2 介導(dǎo)的磷酸化修飾穩(wěn)定 PER2 蛋白；

• MARK2 以 S662 依賴的方式調(diào)控細(xì)胞的晝夜節(jié)律周期；

• 在小鼠中神經(jīng)元敲除 MARK2 會導(dǎo)致活動相位前移和周期縮短。

圖：論文截圖

饒毅團(tuán)隊此前曾發(fā)現(xiàn)，CK1δ、CK1ε，TSSK1、TSSK2，以及 SIK1、SIK2、SIK3 能夠磷酸化修飾 PER2 S662，可能是其激酶。然而，敲除這 7 個基因中的任何一個，均未觀察到預(yù)期中的相位前移表型。

生化純化的勝利：MARK2 的發(fā)現(xiàn)

為了尋找真正的 PER2 S662 激酶，饒毅團(tuán)隊采用了經(jīng)典的生化純化方法。他們從大量培養(yǎng)的 HEK293 細(xì)胞中提取蛋白質(zhì)，通過六步色譜純化，最終分離出了能夠磷酸化 PER2 S662 的活性成分。

質(zhì)譜分析結(jié)果顯示，活性最強的成分中含有 MARK2 和 MARK3。進(jìn)一步的實驗證實，MARK2 和 MARK3 確實能夠直接磷酸化 PER2 S662 位點，而其他候選激酶如 GSK-3β、MKNK1 等則沒有這一功能。

MARK2 如何調(diào)控生物鐘？

機制研究表明，MARK2 通過磷酸化 PER2 S662 位點來穩(wěn)定 PER2 蛋白，從而延長生物鐘周期。當(dāng) MARK2 活性缺失時，PER2 穩(wěn)定性下降，降解加快，導(dǎo)致生物鐘周期縮短。

在細(xì)胞實驗中，敲除 MARK2 基因會導(dǎo)致晝夜節(jié)律周期顯著縮短，且這一效應(yīng)完全依賴于 PER2 S662 位點。更重要的是，在小鼠大腦神經(jīng)元中特異性敲除 Mark2 基因后，小鼠表現(xiàn)出與人類 FASP 患者相似的表型——活動相位前移和周期縮短。而 Mark3 或 Mark4 基因敲除的小鼠則沒有這種表型，這證明了 MARK2 在體內(nèi)晝夜節(jié)律調(diào)控中是必不可少的。

AMPK 相關(guān)激酶家族的集體作用

有趣的是，MARK2 屬于 AMPK 相關(guān)激酶（ARK）家族。研究團(tuán)隊測試了所有 21 個 ARK 家族成員，發(fā)現(xiàn)其中多個成員（包括 MARK1-4、SIK1-3、TSSK1-2）都能在體外磷酸化 PER2 S662。這表明 ARK 家族可能在生物鐘調(diào)控中扮演集體角色，通過調(diào)控 PER2 和其他蛋白質(zhì)的磷酸化狀態(tài)來精細(xì)調(diào)控晝夜節(jié)律。

研究意義與未來展望

這項研究不僅解決了一個 25 年來的科學(xué)謎題，還展示了生化方法在解決生理學(xué)問題中的強大威力。MARK2 作為 PER2 S662 位點生理性激酶的發(fā)現(xiàn)，為理解生物鐘調(diào)控機制提供了關(guān)鍵拼圖。

從臨床角度看，這一發(fā)現(xiàn)為睡眠障礙的治療提供了潛在新靶點。通過調(diào)控 MARK2 的活性，未來可能開發(fā)出針對生物鐘紊亂的新型治療方法，幫助倒班工作者、跨時區(qū)旅行者以及患有睡眠相位障礙的人群調(diào)整生物鐘。

此外，研究還提示 ARK 激酶家族可能在更廣泛的生理過程中發(fā)揮作用，值得進(jìn)一步探索。隨著對生物鐘調(diào)控網(wǎng)絡(luò)理解的深入，我們有望開發(fā)出更加精準(zhǔn)的時序療法，優(yōu)化藥物治療時間，提高療效并減少副作用。

這項研究再次證明，基礎(chǔ)科學(xué)的突破往往能為解決臨床問題奠定堅實基礎(chǔ)。從基因突變到蛋白質(zhì)修飾，從細(xì)胞實驗到動物模型，多層次的證據(jù)鏈共同揭示了MARK2在生物鐘調(diào)控中的核心作用，為睡眠醫(yī)學(xué)和時序生物學(xué)領(lǐng)域開啟了新的研究方向。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-chemical-biology/abstract/S2451-9456(26)00062-0

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