Nat Commun| 新基因TTRP参与生物节律调控，人类生物钟仍在进化

从细菌、真菌、植物到动物乃至人类，绝大多数生物都具备内在的计时机制——生物钟。生物钟调控各种生物的生理、代谢与行为，生物钟如果发生紊乱，生物便难以适应环境周期，生理和代谢均会受损，甚至危及生存或健康[1,2]。人类的生理、认知和行为受到生物钟的广泛影响。在现代社会中，约1/3的人群存在不同程度的节律紊乱，这不仅导致睡眠障碍、代谢失衡和心血管疾病，还与情感性疾病及肿瘤发生率的增加密切相关[3]。正因如此，大众越来越关注生物钟。不少人对生物钟感兴趣的人会提出这样的问题：我们如果连续几个月或几年从事夜班工作，是否生物钟就会适应？我们的人类健康是否就不会受到损害？

要回答这些问题，可以先了解一下长期生活在黑暗溶洞里的生物，在那些数万年没有光照的岩洞里也有一些昆虫、鱼虾生活，这些生物不仅身体变得透明，眼睛退化，它们的生物节律也基本丧失了，说明如果时间足够长，生物钟确实会改变[4]。有人在持续黑暗环境里培养果蝇600代，果蝇仍然也仍保持着明显的节律特征[5]；但在另两项果蝇实验里，经历了~330代和~1300代繁殖，果蝇群体的节律鲁棒性明显增强了[6,7]。这些证据说明，生物钟在不断进化，但要出现明显的变化通常需要漫长的时间或代数。

图1.  内源反义基因示意图及TTRP与PER2的基因结构和相互关系。A：莫里茨·科内利斯·埃舍尔画作《白天与黑夜》；B：内源反义基因NATs的存在形式[8]；C：人类TTRP及PER2的基因结构。TTRP包含7个外显子，其编码区位于第1–4外显子，以红色标示。TTRP的第4、7号外显子与PER2的第18、23号外显子存在重叠[9]。

对于地球上绝大多数生物，都是生活在24小时日出日落的昼夜交替环境下，那么，它们的生物钟是否已经完全适应了24小时的昼夜周期？以我们人类为例，我们的生物钟是否仍在进化？生物钟是进化的产物，很多关于生物钟进化的谜题都有待探索。

内源反义基因（Natural Antisense Transcript，NAT）通常存在基因表达和功能上的相互调控关系，两条DNA链上的基因转录方向相反，如果同时转录还可能存在转录干扰，并会在表观遗传、转录后等水平上相互调控对方的表达与功能[8]。内源反义基因就像荷兰超现实主义画家莫里茨·科内利斯·埃舍尔（Maurits Cornelis Escher，1898－1972）的画作《白天与黑夜》，白色和黑色的鸟飞行方向相反，且颜色相反、形状互补（图1A,B）。

图2. 人TTRP基因的进化过程与分析。A：人类基因组中TTRP基因进化起源示意图；B：高等灵长类中TTRP进化的系统发育树示意图[9]。

近期，我院郭金虎教授团队、梁丹副教授团队及中山医学院生殖中心徐艳文教授团队经过多年的合作研究，在《Nat Commun》杂志发表了题为《Human testis-specific TTRP regulates circadian clock as an evolutionarily young natural antisense transcript of PER2》的论文，揭示了人类新基因TTRP参与生物钟调控的功能与机制[9]。论文作者从人类基因组生物钟核心基因PER2的座位附近鉴定出了一个新的基因，并将其命名为TTRP（Testicular TDP-43 Related Protein）基因。TTRP基因的转录方向与PER2相反，这两个基因分别位于DNA双链的一条链上，并有部分区域存在重叠，因此这两个基因互为内源反义基因（图1C）。

作者发现，TTRP与PER2存在转录水平的相互干扰，同时TTRP编码一个未知蛋白，该蛋白可以与生物钟核心因子BMAL1、PER2、CRY2结合，调节生物钟基因的表达及转录组的节律性表达。这些发现表明，TTRP是生物钟的一个重要调节因子。

图3. 不同动物TTRP调节生物钟的功能比较。A：人全长TTRP在U2OS细胞中对BMAL1荧光素酶报告基因节律振荡的影响；B：大猩猩TTRP对U2OS细胞中hBMAL1启动子驱动的荧光素酶报告基因节律的影响；C：倭黑猩猩TTRP对U2OS细胞中hPER2启动子驱动的荧光素酶报告基因节律的影响；D：hTTRP转染与表达对小鼠尾永生化成纤维细胞（MAF）节律的影响[8]。

TTRP基因仅在人的睾丸组织中表达，为了分析TTRP对生物钟及生殖的影响，作者将人TTRP基因转入小鼠并在睾丸中特异表达。在小鼠细胞里，人TTRP蛋白也可以与小鼠的生物钟核心因子BMAL1、PER2、CRY2结合。TTRP在小鼠睾丸的特异表达，可影响小鼠精子活力，同时对产仔间隔也会产生一定影响[9]。这些发现提示，TTRP可能在睾丸组织中通过生物钟对雄性生殖发挥调节作用。

对TTRP基因序列的进化分析结果揭示，TTRP起源于一个假基因（TARDBPP3）的mRNA。该假基因mRNA经反转录后，被插入至PER2基因座的下游，这一插入事件发生于旧世界灵长类动物中，距今~3200万年。此后，在类人猿进化过程中，该插入序列在距今约2600万年时发生了关键位点的序列突变，从而产生了新的剪接位点，使其具备可编码蛋白的潜力。最终，经过进一步的外显子重排和序列优化，~860万年前，具有完整开放阅读框的成熟TTRP基因正式形成。因此，TTRP是一个进化上年轻的基因，其起源和成熟经历了从假基因插入到剪接位点获得、再到功能基因形成的多步进化过程（图2）。

为探究TTRP在不同灵长类中的功能差异，作者将人的TTRP基因（hTTRP），以及大猩猩（gTTRP）、倭黑猩猩（bTTRP）的TTRP基因分别转入U2OS细胞中进行表达，结果显示hTTRP显著延长了细胞的节律周期，而gTTRP和bTTRP则导致周期缩短（图3A-C）。对灵长类基因组序列的进化分析显示，TTRP基因的保守性较低，且在携带该基因的几种人科动物中观察到了无义突变，表明该基因在进化过程中受到的选择压力较弱，序列变异相对容易在物种间积累。这个看似相反的表型结果其实并不违背功能保守性，提示来自不同灵长类物种的TTRP蛋白均能整合至人类生物钟调控网络，但它们在人类细胞中对节律周期产生的具体影响却因物种来源而异，这也可能反映出各物种对特定生态或环境压力的适应性不同[9]。此外，表达人TTRP蛋白的小鼠MAF细胞也表现出周期延长的特征（图3）[9]。

这项工作鉴定了与生物钟核心基因PER2互为内源反义基因的进化新基因TTRP，并阐明了该基因调节生物节律的功能和分子机制（图4）。更为重要的是，这项研究表明，人的生物钟仍然可以通过招募新的基因参与生物钟的调控，人和类人猿的生物钟仍在继续进化。

论文第一作者为中山大学生命科学学院已毕业的硕士研究生陈桐玥，中山大学在读博士研究生郭丽蓉为并列第一作者，中山大学等多个单位的老师和学生为共同作者。中山大学生命科学学院郭金虎教授、梁丹副教授和中山大学附属第一医院生殖医学中心徐艳文教授为共同通讯作者，论文工作还得到了多个单位研究人员的指导和帮助。本文的通讯作者郭金虎教授，长期从事生物钟的调节机制及载人航天等特殊环境下的生物节律研究。该研究得到国家重点基础研究发展计划（2012CB947600）等项目的资助。

图4. TTRP在人睾丸中调控生物钟的示意图模型。TTRP的转录可能通过转录干扰抑制PER2的表达；同时，TTRP蛋白可与核心生物钟蛋白（如PER2、CRY2、BMAL1）相互作用，促进PER2的降解并调节CRY1和PER2的表达水平。TTRP可能通过生物钟依赖性和非依赖性两种途径参与男性生殖调控。图中垃圾桶图标代表降解，虚线箭头表示推测的调控关系[9]。

参考文献：

[1] Dunlap JC, Loros JJ. Yes, circadian rhythms actually do affect almost everything. Cell Res. 2016; 26:759-760.

[2] Dibner C, Schibler U, Albrecht U. The mammalian circadian timing system: organization and coordination of central and peripheral clocks. Annu Rev Physiol. 2010; 72:517-549.

[3] Bechtold DA, Gibbs JE, Loudon AS. Circadian dysfunction in disease. Trends Pharmacol Sci. 2010;31(5): 191-198.

[4] Mack KL, Jaggard JB, Persons JL et al. Repeated evolution of circadian clock dysregulation in cavefish populations. PLoS Genet. 2021;17(7):e1009642.

[5] Sheeba V, Sharma VK, Chandrashekaran MK, et al. Persistence of eclosion rhythm in Drosophila melanogaster after 600 generations in an aperiodic environment. Naturwissenschaften. 1999;86(9):448-449.

[6] Shindey R, Varma V, Nikhil KL, et al. Evolution of robust circadian clocks in Drosophila melanogaster populations reared in constant dark for over 330 generations.Naturwissenschaften.2016;103:74.

[7] Imafuku M, Haramura T. Activity rhythm of Drosophila kept in complete darkness for 1300 generations. Zoolog Sci. 2011; 28(3):195-198.

[8] Latgé G, Poulet C, Bours V, et al. Natural Antisense Transcripts: Molecular Mechanisms and Implications in Breast Cancers. Int J Mol Sci. 2018;19(1):123.

[9] Chen T, Guo L, Zhang H, et al. Human testis-specific TTRP regulates circadian clock as an evolutionarily young natural antisense transcript of PER2. Nat Commu. 2026. Early online: