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编译：微科盟Echo，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。
微科盟原创微文，欢迎转发转载。 导读生物钟可以协调人类生物化学、生理和行为功能的每日节律。基因表达、细胞分裂和DNA修复都受到生物钟的调节，这就引出了一个假说：生物钟紊乱可能使机体更易患癌症。尽管许多流行病学和动物实验研究的结果都表明生物钟在肿瘤的发生和发展中扮演着重要角色，但现有数据不足以得出生物钟紊乱具有致癌作用的结论；同样，研究表明化疗具有昼夜时间依赖性，但与传统方案相比时间化学疗法的临床试验并没有表现出更好的结果。未来的研究应该聚焦于生物钟成分和致癌机制之间的相互作用上，以充分挖掘生物钟和癌症之间的临床潜力。 原名：Clocks, cancer, and chronochemotherapy通讯作者：Aziz Sancar & Russell N. Van Gelder
通讯作者单位：北卡罗来纳大学医学院&华盛顿大学医学院昼夜节律是生物体内生化、生理和行为功能的内在周期振荡，也是几乎所有真核生物都会表现出的一种基本特征，生物钟在大多数生命形式中的普遍性强烈地表明，它具备一定的选择性优势，其已经在通过比较果蝇、老鼠、花栗鼠和正常动物的存活率得到了验证。在分子水平上，哺乳动物的生物钟是由一个转录-翻译反馈回路组成的，BMAL1和CLOCK形成异源二聚体，结合在Per和Cry基因启动子区的E-BOX元件上，促进它们的转录，当 PER和CRY 在细胞质中聚集达到一定浓度时形成二聚体，入核并抑制BMAL1/CLOCK二聚体的转录活性，从而抑制Per和Cry 自身的转录。另外，核受体ROR 和 REV-ERB 可以结合到Bmal1启动子区的ROR结合元件分别促进和抑制Bmal1的转录（图1所示）。在人类和小鼠中，有50%到80%的蛋白质编码基因是由生物钟控制的；反过来，生物钟调控的基因包括一些对细胞分裂时间至关重要的基因，这些基因导致了一些组织中强烈的分裂节律。因此，生物钟紊乱可能会导致细胞分裂失调，这可能是癌症发生的一个标志。本文作者回顾了生物钟紊乱对人类健康影响的研究现状（特别是在致癌方面），以及通过时间疗法改善癌症治疗的方向和策略。
（左）这是生物钟的分子基础转录翻译反馈回路的示意图。这是生物钟的分子基础TTFLs的示意图。在主回路中，周期(Per)和隐花色素(Cry)基因是由CLOCK-BMAL1异源二聚体驱动的。CRY-PER二聚体从细胞质转移到细胞核，并抑制CLOCK-BMAL1驱动的E-box转录。在第二环中，E-box驱动REV-ERBa和RORA的昼夜表达，从而调节Bmal1的转录。（右）小鼠肝脏中由生物钟控制的854个基因的转录热图。体内生物钟和外部的物理时钟之间的不同步会导致出现至少三种病理状况，分别是时差反应、睡眠相位综合征和代谢综合征。时差反应的出现是因为生物钟基因的节律性表达无法迅速适应因跨时空飞行而引起的生物钟相位变化，通常表现出疲倦、易怒、智力减退、睡眠紊乱和胃肠道症状等短暂的症状。而一种称为“轮班工作障碍”的相关疾病也是一种慢性时差反应，长期的工作时间不同步会对健康产生消极而深远的影响。睡眠相位综合征是指睡眠-觉醒周期相对于明暗周期提前或延迟的情况。家族性形式的睡眠相位前移（ASP）和睡眠相位后移（DSP）与核心生物钟基因的多态性相关。人类Per2、Per3、Cry2、Timeless和CK1δ激酶的突变与ASP的遗传形式有关，而DSP主要与Cry1、Per2和Per3的多态性有关。到目前为止，这些研究数据提供了表明生物钟紊乱与人类疾病有关的直接证据。代谢综合征的症状主要包括高血糖、高胆固醇和肥胖。流行病学研究表明轮值班工作是代谢综合征的重要风险因素之一，而食物摄入时间被认为是维持这种关系的潜在机制。这些流行病学的发现也得到了动物实验研究的支持，即高脂肪食物喂养并允许随意进食的小鼠会出现代谢综合征，而限制性饮食的小鼠则不会。将疾病状态与昼夜节律功能联系起来的有力证据是对生物钟基因敲除小鼠的研究，包括Bmal1,Clock, mPer1和mPer2 (mPer1/2), mCry1和mCry2的无效突变(mCry1/2)导致小鼠行为的节律发生紊乱。正如可以预测的那样，如果昼夜节律失调强烈影响疾病发病机制，正常饮食喂养的Clock基因突变小鼠会发展为代谢综合征；然而，目前尚不清楚这是由于Clock基因的昼夜节律功能造成的，还是CLOCK(一种bhlh-pas蛋白)参与了其他非生物钟基因和蛋白质的控制。然而，在将生物钟功能与生理失调联系起来时，需要注意所有生物钟缺陷动物的表型并非完全相同，例如，Bmal1和Clock敲除小鼠的寿命显著缩短（>15%），而Cry1/2和Per1/2缺陷小鼠的寿命正常。关于不同的核心生物钟基因具有不同的表型可能存在两个解释：首先，作为转录因子每个昼夜节律蛋白都有可能是非节律的特定靶点，在突变时会导致明显的基因多效性；其次，不同敲除引起的改变可能是不同的，例如，Bmal1基因缺失的动物可能会使某种基因处于长期低表达状态，而Cry1/2突变体可能导致相同转录物的高表达，因此，从任何一种核心生物钟基因敲除动物的实验结果中推断出生物钟在生理功能障碍中的作用是一项富有挑战性的工作。尽管如此，还是可以表明，生物钟与代谢综合征以及相关病理学之间在机制方面存在一定潜在的联系。由于在小鼠和人类中，生物钟能调节大多数编码蛋白的基因的表达，所以我们推测生物钟紊乱可能会使人容易患癌症。大量的研究也已经在探索这个假说，但是，许多评论和总结都假定生物钟紊乱具有致癌性，并在这个总体框架下解释数据。在本文中，我们将试图就流行病学和实验研究提出一个平衡的观点，将生物钟紊乱与癌症联系起来，并在可能的情况下就相互矛盾的观点进行讨论。世界卫生组织国际癌症研究机构2007年的一篇文章指出，夜班工作可能作为致癌因素之一，尤其对于乳腺癌，该组织在2019年重新评估这一观点并得出了相同的结论；大量研究表明轮班工作人员患癌症的相对风险增加在0- 40%之间，一些科学家对这些发病率数据进行了解释，认为昼夜节律紊乱易导致人类患癌症，包括乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和结直肠癌；然而，其他一些科学家却认为夜班或轮班工作引起的生物钟紊乱并不会致癌，例如，最近的几项非常大的研究，包括对丹麦的155,000名妇女的研究和英国对100,000多名妇女的研究，都结果表明，轮班工作不会增加患癌症的风险。几项全基因组关联研究已在寻求证据证明人类时钟基因多态性会影响癌症的发病率。最近两项Meta分析提出乳腺癌与生物钟基因Npas2、Clock、Rorα、Rorβ和Per3在统计学意义上的关联性，然而这些等位基因单独产生的相对风险很少大于0.1。对于分析多个等位基因的基因，易感等位基因和保护等位基因通常被确定在相似的比例。系统分析也表明了生物钟基因和癌症之间的相互作用。Ye等人对多种肿瘤中的生物钟基因表达和突变进行了大规模的系统分析，他们发现，在不同类型的肿瘤中大多数核心生物钟基因表达失调，在特定的癌症中，单个生物钟基因发生多重突变，并且有一些证据表明，有生物钟基因突变的个体的生存期有所下降，虽然这一分析只能确定相互关联而不是因果关系，但总的来说，这些结果与特定的昼夜节律紊乱是癌症的共同特征并可能促成发病机制的假设是一致的。视交叉上核(suprachiasmaticnuclei, SCN)是哺乳动物生物钟的发生起搏器， SCN损伤的动物表现为行为失常。一项被广泛引用的研究表明，SCN受损的小鼠格拉斯哥骨肉瘤和胰腺癌异种移植瘤的生长速度均明显加快，暗示生物钟紊乱加速了肿瘤的生长速度。在另外一个实验中，接受肿瘤异种移植的完整SCN小鼠每3天发生8小时的相位变化，从而表现出慢性时差反应；此外，其他研究也清楚地表明接触致癌物有昼夜节律的风险，例如，与4:00p.m.暴露在紫外线下的小鼠相比，4:00a.m.暴露于紫外线的小鼠，其潜伏期缩短并且皮肤癌的多样性增加了约5倍。然而，基因相关的研究并非那么简单。据报道，Per2基因的无效突变使小鼠易患自发和电离辐射诱发的癌症，这项研究被认为是IARC在其2007年的文章中提出生物钟紊乱致癌的有力证据。此外，还有研究发现其他核心生物钟基因如Clock、Bmal1和Cry1/2的无效突变也并非固有的促进致癌基因形成，Cry1/2敲除基因型延迟了p53敲除小鼠的肿瘤发生，通过促进转化细胞的凋亡将这些动物的寿命延长约50%。大多数癌症往往是由DNA损伤引起的。似乎生物钟以两种特定的方式调节致癌物的作用，一个是致癌物的作用机制，另一个是与特定的核心生物钟蛋白相互作用，例如，强有力的、DNA损伤致癌物二乙基亚硝胺导致Cry1/2敲除小鼠的胆管癌发病率比野生型小鼠增加了8倍以上，这表明Cry突变具有胆汁信号特异性效应，此外，生物钟基因与肿瘤发生的复杂相互作用的研究强调了Bmal1敲除的研究。与野生型动物细胞对DNA破坏因子的反应相比，Bmal1敲除小鼠的胚胎成纤维细胞表现出极小的差异；然而，当从两个乳腺上皮细胞系中移除相同的基因时，它们都对顺铂和阿霉素敏感，其中一株细胞系表现出增强的致瘤性，表明对这种细胞类型具有特异性。相反，昼夜节律功能的丧失也能使组织抵抗DNA损伤诱导的肿瘤形成；一种纯合子Clock基因突变通过下调表皮生长因子受体使小鼠对二甲基苯丙蒽产生皮肤癌抗性介导的Ras激活。而在每一种细胞类型中，DNA损伤和生物钟机制的特定分子组分之间似乎存在特定的关系，除了这些在损伤形成的水平上有影响的例子外，生物钟还调节着DNA反应通路、DNA修复、DNA损伤检查点、细胞凋亡和衰老。提到DNA修复我们都知道其存在五种修复机制，包括直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、双链断裂或交联修复和错配修复，其中，核苷酸切除修复在生物钟相关研究中最为深入而广泛。核苷酸切除修复可清除致癌的紫外线和香烟烟雾对DNA的损害，以及修复抗癌药物顺铂引起的损害。切除修复活动基本上是由生物钟通过两种机制控制的：首先，组成性修复因子XPA是受生物钟控制的；其次，单个基因转录的昼夜节律也驱动节律性修复，因为通过转录耦合修复，RNA聚合酶II转录基因的转录链优先于非转录链修复。根据生物钟控制基因表达最大值的时间，转录链和非转录连的修复可能是锁定的相位，或者可能与每个基因在特定组织中的表达节律有关（图2所示）。因此，了解生物钟对与切除修复相关致癌性的影响是复杂的，因为潜在的影响可以在各个昼夜节律阶段观察到。
（左）1661个转录链和非转录链节律表达基因的相对切除修复热图。每个基因的Exp/Med是给定时间点的标准化读值(Exp)除以该时间点所有基因的中位数(Med)读值。（右）转录链和非转录链基因间DNA、弱转录基因、强转录基因和有节律转录基因的DNA修复的相对昼夜节律性。一些特定的生化途径可以延缓细胞周期的进程，以应对DNA损伤，在形式上定义为细胞周期中的G1-S、intra-S、S-M和G2-M检查点。这些细胞状态的转变受ATR和ATM损伤敏感的顶端激酶控制，通过效应器激酶激活信号通路，致靶蛋白磷酸化，延缓细胞周期进程，以应对DNA损伤。生物钟通过两种机制影响DNA损伤检查点：（1）通过调节检查点或细胞周期蛋白（包括参与G1-S转换的p20、p21和NONO）的表达；（2）通过生物钟蛋白直接与检查点蛋白相互作用来改变其活性。人的TIMELESS既与CRY2结合，又与ATR-ATRIP顶端激酶结合，并调节下游CHK1激酶的活性，科研人员已经通过类似方法证明了CRY1与TIMELESS相互作用来调节ATR-ATRIP激酶的活性，并赋予了目标蛋白CHK1和p53磷酸化的昼夜节律模式。而另一项研究声称，PER1通过结合蛋白质和促进CHK2磷酸化来参与ATM→CHK2信号通路，从而增强了细胞凋亡，而有研究表明，Per1在肝和胰腺肿瘤中具有抗凋亡作用。虽然这两种途径具有不同的生化机制，但它们可能分别通过细胞死亡或退出细胞周期而在阻止癌细胞增殖方面发挥相似的作用。在凋亡方面，在其他野生型背景下，研究人员没有发现生物钟基因对凋亡的影响；然而，在转化的细胞中，通过增加p53家族成员p73的表达，Cry1/2突变增强了对紫外线或顺铂反应的凋亡通路。在衰老方面，有研究表明小鼠Bmal1突变最显著的特性之一是早期衰老表型和寿命缩短，而且这种作用很可能是Bmal1基因所特有的。由于生物钟对基因表达的整体影响，生物钟与许多致癌基因和肿瘤抑制因子相互作用，其中，c-Myc和K-ras癌基因和p53肿瘤抑制物已经被研究者进行过研究。c-Myc基因通常在近50%的人类癌症中发生失调。因为E-box序列（CACGTG）是CLOCK-NPAS2-BMAL1复合物的靶点，也是MYC结合位点，因此可以预期控制MYC的细胞增殖和控制昼夜节律的转录翻译反馈回路会存在相互作用（图3所示）。截至目前，研究人员已经确定了几个交集：（1）核心生物钟基因似乎调控MYC的表达。CRY2与小鼠磷酸化的MYC结合，招募SCFFBXL3-E3连接酶后促进其泛素化和降解，因此，在缺乏CRY2的情况下，MYC不能泛素化，从而增加了淋巴瘤的发病率；（2）MYC似乎可以破坏转录翻译反馈回路，MYC结合Nr1d1的E-box并上调Nr1d1转录。NR1D1蛋白与Bmal1启动子中的ROR元件结合并抑制其转录，从而导致Bmal1下调，引起生物钟在整体上失调。
c-Myc基因有一个E-box转录因子结合位点，该位点与NPAS2-BMAL1异源二聚体结合，C-MYC蛋白结合Rev-erba启动子增强子中的修饰E-box，导致Rev-erba上调，进而抑制Bmal1转录并改变生物钟耦连基因的表达，CRY2也能结合磷酸化的c-MYC，并能将蛋白靶向到蛋白酶体上。MYC失调在淋巴增生性癌症中很常见，生物钟基因效应牵涉到这类癌症中，生物钟基因功能的丧失通常与癌症发生的抑制有关。在低风险和进展缓慢的慢性淋巴细胞白血病中，CRY1的表达被异常的CpG高甲基化所抑制，因此，Cry1启动子的甲基化状态可以作为一个积极的预后指标。总的来说，来自MYC和淋巴组织增殖性癌症研究的数据表明，相同的生物钟成分可能加速肿瘤进展或抑制肿瘤发生，而这取决于组织或细胞类型和特定的生物钟基因。p53基因与生物钟之间的关系也非常复杂，一项研究发现Per2突变小鼠由于p53蛋白下调而易患IR诱导的癌症，但随后的研究表明无论Per1或Per2突变小鼠都不易患IR诱导的癌症；此外，p53敲除后小鼠易患癌症，通常在3个月后发生淋巴瘤或淋巴瘤，出生后6个月内便死亡，而当p53突变与低外显率的原癌基因突变结合时死亡速度明显加快，然而，当Cry1/2突变与p53敲除结合时，没有检测到这种效应；相反，p53敲除Cry1/2突变小鼠的寿命比p53敲除小鼠延长50%。考虑到这些结果的复杂性，我们得出的结论是Cry和Per基因不能归类为一般的肿瘤抑制因子；此外，与MYC一样，生物钟会影响癌基因，癌基因也会影响生物钟功能。p53重叠p53反应元件，通过其对Per2转录的作用来调节生物钟，Per2启动子中的E-box；因此，p53-/-小鼠的周期短，对光脉冲的相移响应异常，昼夜节律不稳定。在一个用于研究生物钟紊乱与癌症相关的模型中，K-ras和p53在肺部局部缺失，且小鼠受到慢性时差或Per2或Bmal1突变的影响。在此基础下肿瘤的发生率和进展速度均发生小幅度增长，生物钟基因紊乱导致c-MYC表达增加，细胞增殖增强。与MYC和p53一样，Ras也可以调节生物钟，即Ras在野生型细胞中的过度表达导致生物钟周期延长和细胞衰老的表型。时间化学疗法是指在生理节律的适当阶段给药，以使药效达到最佳。采用这种方法主要是由于：（1）一种药剂的功效可能随着一天中的时间而变化，这取决于它具体的的作用机制；（2）药物的药代动力学和代谢可能随昼夜节律变化；（3）药物的毒性也可能随一天的时间而变化。尽管时间化学疗法已经在某些病理条件下开展临床应用，如哮喘、高血压和心血管疾病，但还未产生足够一致的结论来证明用于癌症治疗是可行的。科研者在一项较小的研究中观察到，计时疗法在卵巢癌中具有实质性作用，但在随后的研究中却没有重现。同样，欧洲一项针对大肠癌的时间疗法的大型研究发现，对整个研究人群进行时间疗法没有任何有益的效果，然而，这项研究发现，与常规治疗方案相比，男性进行时相疗法有变好的趋势，但是与常规治疗组相比，经时效疗法治疗的妇女的死亡率提高了38％，定时给药可能对特定人群有害。总的来说，现有的数据并不支持时间化学疗法对任何形式的癌症治疗存在增益效果。为了挖掘这种方法在癌症治疗中的潜力，还需要一种完善的并且基于机制的方案，能平衡特定药物靶点的最佳昼夜节律、药物的有效性和代谢以及药物毒性。以铂为基础的药物，如顺铂，它通过破坏DNA杀死癌细胞，所以被用于治疗许多固体组织肿瘤。在小鼠和人类细胞系中，科研者发现对于整体修复在早上较低，在晚上达到最大值，晚上治疗的小鼠比早上治疗的小鼠表现出更高的修复。对于临床应用，除了考虑正常组织基因组的昼夜修复模式外，还需要特定癌症组织基因组的高分辨率修复图谱来确定优先杀死癌细胞的最佳时机，重要的是确定癌症和正常组织之间的昼夜节律和振幅关系。在过去的25年里，科研者在了解昼夜节律钟和癌症的分子机制方面有了很大的进展。同样，人们也在尝试利用生物钟来指导癌症的预防和治疗。在美国，人们早期认为生物钟紊乱会促进癌症或化疗的昼夜节律改善结果的观点，已经被更现实的观点所取代，即生物钟与癌症之间的联系是高度特异性的。这一领域的某些领域正在走向成熟，可能会产生一些见解或揭示治疗途径。DNA切除修复在紫外线诱导的皮肤癌发展中起着关键作用，也是基于铂的化疗药物作用机制的关键。切除修复具有很强的昼夜节律调节，其活动阶段主要依赖于特定组织中单个基因的转录节律。对这些机制的进一步研究可能会取得一些进展，从而允许设计合理的时间化疗，在可预见的未来，其他肿瘤和机制特异性的观点也可能产生类似的治疗进展。虽然时间化学疗法的预期效果非常好，但生物钟和癌症相互作用的复杂性，为给药时间的选择带来非常大的阻碍。https://pubmed.ncbi.nlm./33384351/
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