本文要点

研究设计

研究利用葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠结肠损伤再生模型，结合Per2-Luc生物发光报告和4个时间点的单细胞RNA测序，绘制29类结肠细胞的24小时转录节律图谱。

总体发现

再生状态下结肠生物钟仍持续振荡，但不同细胞类型呈现不同的节律适应方式，其中上皮细胞的重编程最为显著。

节律分布

再生远端结肠上皮细胞的节律基因数量增加并呈双峰表达，而基质、平滑肌等支持细胞总体维持稳健的单峰节律。

相位转换

再生远端上皮细胞中Bmal1、Dbp等核心钟基因的节律相位相对基质细胞反转约12小时，近端再生组织则主要表现为节律振幅减弱。

温度应答

上皮细胞中热休克基因Hspa8与冷诱导基因Cirbp呈严格反相的节律表达，显示再生上皮具有突出的温度应答转录特征。

功能重排

再生期的节律通路由稳态下的细胞周期和经典生物钟相关功能，转向内质网蛋白加工、热休克反应及代谢应答。

细胞差异

基质、平滑肌、内皮和肠神经胶质细胞在对照与再生状态下均维持较高振幅及经典相位，提示组织修复中的节律可塑性主要集中于上皮细胞。

核心关键词

昼夜节律、结肠、再生、单细胞基因表达分析、上皮细胞、组织修复、硫酸葡聚糖钠、双相节律

科普解读

在生命科学领域，一个长期存在的假设正在被重新审视：我们体内的器官，其内部所有细胞是否都遵循着统一的昼夜节律？特别是在肠道这样一个高度动态、不断更新的器官中，这个问题的答案直接关系到炎症性肠病等重大疾病的治疗策略。来自Nature Communications的一项最新研究，通过单细胞层面的精密观测，揭示了结肠再生过程中一个令人意想不到的“时间错位”现象。

这项研究由温莎大学的Phillip Karpowicz团队与洛桑联邦理工学院生命科学学院的Felix Naef团队联合完成。他们首次构建了结肠在损伤与再生状态下的细胞特异性昼夜节律转录图谱，系统地回答了：是哪些细胞在负责结肠的日常节律，以及这些节律在组织修复时会发生怎样的变化。

打破“统一时钟”的认知

长期以来，学界普遍认为生物钟驱动的基因表达节律，是肠道干细胞维持更新和屏障功能的关键。然而，该研究团队发现，结肠内的“时钟”并非铁板一块。他们利用单细胞转录组学，对小鼠结肠在稳态和再生状态下的20多种细胞进行了24小时节律分析。

结果显示，核心时钟基因的节律在各种细胞中差异巨大。基质细胞和肌肉细胞展现出最为强劲和经典的昼夜节律，其时钟基因如Bmal1和Dbp的振荡幅度高、相位同步，宛如一个精准的“主时钟”。然而，最令人惊讶的发现来自上皮细胞。

“在未受损的结肠中，上皮细胞的时钟振荡就相对较弱，”数据显示。而当结肠进入再生修复状态时，上皮细胞的时钟被彻底“重编程”。它们不再与周围的基质和肌肉细胞保持同步，而是发生了约12小时的时相翻转，进入一种“反相”状态：当周围细胞处于节律高峰期时，上皮细胞正处于低谷，反之亦然。

12小时反相：上皮细胞的“叛逆”

为了验证这一惊人的发现，研究人员通过原位杂交技术，直观地观察了时钟基因Bmal1在组织中的空间位置。在再生的远端结肠中，Lgr5阳性的肠道干细胞和分化上皮细胞中的Bmal1表达，确实在时间上与邻近的肌肉组织完全相反。这种在器官内部，相邻细胞间出现截然相反的节律相位，挑战了我们对组织层面昼夜节律协调性的传统认知。

研究团队推测，这种反相可能源于上皮细胞在再生过程中，其时钟调控机制发生了根本性转变。“再生让上皮细胞的时钟对环境因素的敏感度发生了改变，”论文提出，这可能使它们更容易被系统性信号，如体温或营养代谢物，重新校准时间，从而与由激素和细胞因子主导的基质时钟脱钩，形成了独特的“区域时间”。

热休克蛋白与代谢：节律重编程的“幕后推手”

那么，上皮细胞在失去经典时钟节律后，其大规模转录波动又是由什么驱动的呢？研究进一步揭示，再生过程中的上皮细胞展现出强烈的双相节律，其基因表达高峰集中在清晨和傍晚。这些节律基因的功能富集分析，指向了一个全新的调控网络：内质网蛋白质加工和热应激反应。

研究发现，热休克蛋白（如Hspa8）和冷诱导RNA结合蛋白（Cirbp）等基因，在再生上皮中表现出高振幅的昼夜节律。Hspa8在夜间小鼠活跃、体温升高时达到峰值，而Cirbp则在日间休息、体温较低时表达最高。这暗示着，再生过程中，上皮细胞将基因表达的指挥棒，从自身时钟交给了系统性的体温和代谢节律，通过响应蛋白稳态压力来驱动细胞增殖和组织重塑。

这项研究描绘了一幅全新的结肠生理图景：内源性时钟和外源性环境节律，在不同细胞类型和不同生理状态下，进行着精密的“分工合作”。这对理解炎症性肠病和结肠癌等疾病具有深远意义。它提示我们，未来的治疗策略可能需要考虑“时间”和“细胞类型”的双重特异性，例如，在特定时间靶向特定细胞的修复程序，或许能更有效地促进组织愈合并减少副作用。肠道内细胞“各过各的时间”这一发现，无疑为精准医学开辟了新的时序维度。

图片摘要

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原文链接

https://rbase.chinagut.cn/base/article/0f3685707072406981a88adb3624cb0c