中国农业大学植保学院杜娟教授团队揭示组织特异性CLOCK可变剪接异构体影响果蝇生殖适应度

近日，中国农业大学植物保护学院农林生物安全全国重点实验室杜娟教授团队研究成果以《组织特异性CLOCK异构体通过调控昼夜节律反馈环影响果蝇生殖适应度》（Tissue-Specific CLOCK Isoforms Modulate Circadian Feedback Loops to Govern Reproductive Fitness in Drosophila）为题在 Cellular and Molecular Life Sciences 发表。研究揭示了果蝇生殖组织中Clock（Clk）基因存在组织特异性剪接异构体表达，短异构体CLK-S通过竞争性结合CYCLE蛋白抑制CLK-L/CYC复合体形成，从而重塑昼夜节律调控网络，影响精子发生与生殖能力，为理解生物钟在生殖系统中的适应性调控机制提供了新视角。

生物钟是生物体内一种内在的计时机制，协调着生理和行为以适应昼夜变化。然而，核心时钟元件在外周组织（如生殖器官）中如何被调整以执行组织特异性功能有待研究。该研究团队首先发现果蝇Clk存在长异构体（Clk-L）和短异构体（Clk-S），二者在生殖组织中表达模式具有明显差异。Clk-S在睾丸中高度富集，而Clk-L在头部和肠道中表达较高，卵巢中两者表达均较低。这种异构体的组织特异性分布是调节生殖组织昼夜节律环路的关键。

随后作者利用组织特异性Tj-Gal4驱动RNAi和过表达实验，发现在体细胞中过量的Clk-L和Clk-S都对雌性生育力有害，而过量的Clk-S（而非Clk-L）对雄性生育力有害。干扰Clk-L（而非Clk-S）会导致雌性生育力缺陷，而干扰Clk-L和Clk-S均会导致雄性生育力缺陷。结果表明，Clk-L 在雌性生殖中起关键作用，而睾丸中既需要Clk-L也需要Clk-S。为了进一步探究Clk-S的功能，作者通过免疫共沉淀和荧光素酶报告基因实验，发现Clk-S虽无转录激活能力，但能与Clk-L竞争结合CYC，从而抑制Clk-L/CYC复合物的形成，进而调控生物钟反馈环路的活性。

为了在全基因组范围内揭示其调控，作者使用ChIP-seq技术分析头、卵巢和睾丸中的CLK和CYC的结合位点，发现三者之间存在明显差异。与头相比，CLK/CYC在睾丸中的共同结合位点显著减少，并且其结合图谱发生了根本性改变：在头中主要靶向核心时钟基因，而在睾丸中则主要靶向精子发生相关基因。通过免疫荧光染色观察Clk-S敲除后的睾丸表型，发现其生殖干细胞和体细胞数量显著减少，精子发生过程出现缺陷。结果表明，Clk-S对维持睾丸生殖细胞和体细胞的正常发育具有重要作用。本研究揭示了特定Clk异构体在生殖组织中的表达谱和功能机制，阐明了CLK/CYC蛋白复合体在生殖器官中如何被调整以执行组织特异性功能。

中国农业大学植物保护学院杜娟教授为论文通讯作者，博士研究生王怡湜、博士后吕鹏飞与已毕业博士研究生李亚红为共同第一作者。博士后杨兴卓为论文做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金（32122017，32070492）和中国农业大学2115人才培育发展支持计划的资助。