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这篇综述系统阐述了翻译后修饰（PTM）在动物昼夜节律钟调控中的核心作用，重点聚焦于磷酸化、乙酰化、SUMO化等修饰方式如何精细调控核心时钟蛋白（如PER、CRY、BMAL1/CLOCK）的稳定性、亚细胞定位及转录活性，并深入探讨了PTM在昼夜节律系统响应光、温度、营养等环境信号以及代谢、衰老等生理过程中的关键机制，为理解昼夜节律相关疾病（如睡眠障碍、代谢性疾病）的病理机制提供了重要视角。
PTMs Within the Timekeeping Machinery
昼夜节律钟是协调行为、代谢、免疫等生理过程与24小时昼夜循环同步的关键生物系统。其分子振荡器在动物中由高度保守的转录-翻译反馈环（TTFL）构成，包括正调控元件（如哺乳动物的CLOCK/BMAL1，果蝇的dCLK/dCYC）和负调控元件（如哺乳动物的PER/CRY，果蝇的dPER/dTIM）。翻译后修饰（PTM）通过对时钟蛋白的精细调控，在决定昼夜节律周期长度、稳健性及对环境信号的响应中扮演着核心角色。
2.1 The Regulation of Positive Elements
正调控元件的功能受到多种PTMs的精密调控。例如，Casein Kinase 2α（CK2α）通过磷酸化BMAL1的S90位点促进其核定位，从而启动下游时钟控制基因的转录。相反，GSK3β介导的BMAL1 S17/T21磷酸化则促进其泛素化降解，体现了转录激活与蛋白降解偶联的“黑寡妇模型”。CLOCK的活性也受到多重调控：PKCα/γ磷酸化促进其核定位，而GSK3β和CDK5介导的磷酸化则触发其降解。此外，BMAL1的K537位点乙酰化（由CLOCK/TIP60催化）在激活相招募BRD4-P-TEFb复合物促进转录延伸，在抑制相则促进CRY1与BMAL1/CLOCK复合物的结合以实现抑制功能，该位点的去乙酰化则由SIRT1负责。其他修饰如BMAL1的SUMO化（K259）、O-GlcNAc糖基化、S-亚硝基化以及CLOCK的S-棕榈酰化（C194）也通过影响蛋白稳定性来调节其功能。在果蝇中，dCLK的稳定性受CK2α和AMPKα磷酸化的正调控，而其降解则可能由CTRIP介导的泛素化完成。
2.2 The Regulation of Negative Elements
负调控元件的PTM调控更为复杂，尤其是对其核质穿梭、稳定性和抑制活性的时序控制。PER蛋白的降解速率是决定昼夜节律周期的关键，其核心调控机制是CK1家族激酶（哺乳动物CK1δ/ε，果蝇DBT）介导的“磷酸开关”。在哺乳动物PER2中，CK1δ/ε优先磷酸化FASP结构域（如S662）会抑制其对下游β-TrCP识别位点（如S478）的磷酸化，从而稳定PER2；而在低温等条件下，CK1δ/ε更倾向于直接磷酸化β-TrCP位点，促进PER2通过SCFβ-TrCP复合物泛素化降解。这一双稳态调控机制是昼夜节律温度补偿的分子基础。果蝇dPER的降解也遵循类似原理：NEMO激酶对dPER短结构域（如S596）的磷酸化，会抑制DBT对S47位点的磷酸化，从而阻止SCFSLIMB（果蝇β-TrCP同源物）对dPER的识别和降解。PER蛋白的核定位也受到严格调控，例如CK1ε磷酸化促进PER1/3核定位，而CK1δ和GSK3β则调控PER2的核输入。在果蝇中，dPER的核定位需要dTIM的协助，并受到CK2、CK1α、MAPK、SGG（GSK3β同源物）等多种激酶和PP2A磷酸酶的协同调控。CRY蛋白的稳定性主要受F-box蛋白FBXL3介导的泛素化降解调控，AMPK对CRY1的磷酸化（S71/S280）可增强其与FBXL3的结合，从而促进降解。
3 PTMs in Response to Environmental Factors
3.1 Light
光作为主要授时因子，通过PTMs重置生物钟。在果蝇中，光激活隐花色素dCRY，进而触发E3连接酶JETLAG介导的dTIM泛素化降解，这是光重置的核心事件。dCRY自身也被JETLAG、BRUCE等泛素化降解。此外，光还通过CaMKII、DBT、p38 MAPK等激酶调节dCLK和dPER的磷酸化状态。在哺乳动物中，光信号通过视网膜-下丘脑束投射至视交叉上核（SCN），诱导即早基因如Per1的表达。这一过程涉及MAPK、CaMK、CDK5等激酶级联反应，导致CREB磷酸化，进而激活Per1转录。光还能调控BMAL1（通过JNK磷酸化、USP2去泛素化）、CLOCK（通过PKG2磷酸化）的活性，并影响组蛋白修饰（如H3S10磷酸化）。
3.2 Nutrition and Metabolism
营养和代谢状态通过营养敏感的PTMs深刻影响生物钟。AMPK和GSK3β/SGG作为关键的能量传感器，分别通过磷酸化CRY1和BMAL1/CLOCK/PER2等时钟蛋白，将细胞能量状态与昼夜节律相位耦合。O-GlcNAc糖基化作为一种营养敏感的修饰，通过修饰PER2（S662）、dPER、CLOCK和BMAL1，影响它们的稳定性和活性。NAD+依赖性去乙酰化酶SIRT1通过去乙酰化BMAL1（K537）和PER2，将细胞代谢状态与时钟功能联系起来。CLOCK的S-棕榈酰化也可能成为连接脂代谢与时钟的节点。这些代谢敏感的PTMs本身也呈现昼夜振荡，并与TTFL形成双向调控网络。
3.3 Temperature
昼夜节律的温度补偿特性部分依赖于PTMs。在果蝇中，低温通过选择性剪接产生缺乏CK1α靶点S13的dCLK-cold异构体，使其能更有效地结合DNA并激活转录，从而适应低温环境。在哺乳动物中，PER2的“磷酸开关”模型提供了温度补偿的分子解释：在较高温度下，CK1δ/ε优先磷酸化FASP结构域，减缓PER2降解，延长周期以抵消生化反应加速的影响；在较低温度下，CK1δ/ε优先磷酸化β-TrCP降解位点，加速PER2降解，缩短周期以补偿反应速率的下降。CK1δ对ATP/ADP亲和力的温度依赖性差异可能是这一选择性磷酸化的结构基础。
3.4 Other Cellular and Physiological Conditions
多种细胞应激和生理过程通过PTMs影响生物钟。血清冲击通过Ca2+依赖性PKCα/γ磷酸化CLOCK促进其核定位。炎症因子TNF-α通过上调USP2a去泛素化酶稳定CRY1。氧化应激通过CK2磷酸化BMAL1 S90诱导时钟重置。渗透压应激通过ASK-mTOR-AKT通路磷酸化CLOCK S845来改变节律相位。衰老过程中NAD+水平下降导致SIRT1活性降低，影响BMAL1和PER2的乙酰化水平，破坏节律振幅，而补充NAD+前体NR可逆转此现象。血管老化伴随的一氧化氮减少会降低BMAL1的S-亚硝基化水平，导致Per2表达相位延迟。
4 Conclusion and Future Perspectives
PTMs是调控动物昼夜节律钟精度和适应性的核心机制。尽管不同物种时钟蛋白的PTM位点并不完全保守，但CK1激酶家族的功能模式以及基于磷酸开关的PER蛋白降解调控机制显示出显著的进化保守性。未来研究将更加关注多种PTMs（如磷酸化、乙酰化、O-GlcNAc糖基化等）在同一蛋白上的交叉对话，及其在整合多种环境信号（如光、温、营养）中的作用。随着质谱技术和生物信息学工具的进步，对昼夜节律蛋白质组尺度PTM动态的全面解析将成为可能，这将深化我们对生物钟如何调控生理病理过程的理解，并为干预昼夜节律相关疾病提供新的靶点。
