早期的研究曾观察到一个有趣的现象:斑马鱼的免疫反应似乎在早晨,也就是它们开始活跃的时候达到高峰。这可能代表着一种进化上的适应,因为在白天活跃的时候,生物体更有可能接触到细菌感染。然而,这种免疫反应是如何与白昼同步的呢?

5月23日,发表在期刊 Science Immunology 上的最新研究发现,中性粒细胞竟然拥有自己的生物钟,就像我们身体里大多数细胞都有生物钟来感知外部世界的时间,并调节身体活动一样,中性粒细胞的生物钟能感知到白天,并显著增强它们杀死细菌的能力。光照是影响和重置这些细胞生物钟的最大因素。

这项研究建立在先前的发现之上,即斑马鱼幼鱼在光照/活动阶段(开灯后4小时)感染细菌时,比在黑暗/休息阶段感染时表现出更好的存活率、更强的细菌清除能力和更多的中性粒细胞招募。考虑到 per2 基因的表达水平在光照达到峰值,而在黑暗降至最低,推测这个对光照敏感的生物钟基因 per2 可能正是介导光照增强宿主对感染反应的关键因素。

首先,构建了 per2 突变体斑马鱼 (per2nz90),该突变导致 per2 基因的表达显著降低。在不同光照条件下感染细菌后,与野生型幼鱼在光照条件下表现出更好的存活率不同,per2 突变体幼鱼在光照条件下存活率显著降低。过表达 per2 mRNA 可以挽救这种存活缺陷,在内源性 per2 水平较低的黑暗阶段,过表达 per2 mRNA 可以将野生型幼鱼的存活率提高36.3%。与存活率降低相符,per2 突变体幼鱼体内细菌负荷也更高

进一步的研究发现,per2 突变体幼鱼在感染部位的中性粒细胞数量显著减少,且中性粒细胞向感染部位移动的速度变慢。同时,per2 突变导致中性粒细胞的杀菌能力受损,表现为吞噬细胞中活性氧ROS的产生减少。ROS是中性粒细胞重要的杀菌机制之一,主要由NADPH氧化酶(NOX)生成,通过敲除NOX复合体的关键组分 ncf1,证实了ROS在中性粒细胞杀菌中的重要性,并表明 per2 突变体幼鱼清除细菌能力下降,部分是由于中性粒细胞NOX依赖性ROS产生减少所致

通过中性粒细胞移植实验和构建中性粒细胞特异性过表达 per2 的细胞系,表明 per2 在中性粒细胞中以细胞自主方式发挥作用,调控其杀菌活性。将 per2 过表达限制在中性粒细胞中,可以恢复 per2 突变体中性粒细胞的杀菌活性和ROS产生,尽管这未能恢复中性粒细胞的招募缺陷,这表明 per2 在其他组织中可能也对中性粒细胞迁移有贡献。

研究发现:白天的免疫系统更强,晒太阳,有助于增强我们的免疫力

在野生型斑马鱼中性粒细胞中过表达 per2 足以增强存活率、中性粒细胞杀菌能力和ROS产生。还发现,per2 在中性粒细胞中的积极作用依赖于其Cry结合结构域CBD。缺乏CBD的Per2变体无法挽救 per2 突变体幼鱼的存活缺陷或恢复中性粒细胞的杀菌功能。

为了找到介导Per2增强中性粒细胞功能的下游基因,研究人员对 per2 突变体中性粒细胞进行了RNA测序,发现 hmgb1a 是一个在感染后Per2依赖性下调的差异表达基因。hmgb1a 是损伤相关分子模式(DAMP)HMGB1的斑马鱼同源物。HMGB1可以从受损细胞释放,或由免疫细胞主动分泌,作为DAMP介导免疫反应,并且是中性粒细胞有效的趋化因子,也可以通过TLR4刺激NOX复合体活化和ROS产生。

感染能够诱导中性粒细胞中 hmgb1a 的表达,且 Per2 能够增强这种感染诱导的 hmgb1a 表达。过表达中性粒细胞特异性 per2 可以将感染诱导的 hmgb1a 表达恢复到接近野生型水平。

在中性粒细胞中过表达 hmgb1a,可以在黑暗条件下增加存活率和中性粒细胞杀菌率,使其达到或接近光照条件下野生型幼鱼的水平,这表明提高Hmgb1a水平足以增强这些功能。过表达 hmgb1a 也能在 per2 突变体幼鱼中恢复中性粒细胞的杀菌活性,并部分挽救存活缺陷。这些结果表明,Per2 通过上调感染诱导的 hmgb1a 表达来促进中性粒细胞的杀菌功能

生物钟系统由转录-翻译反馈环路构成,核心组分包括CLOCK和BMAL1,以及周期蛋白PER和隐花色素CRY。鉴于PER和CRY通常发挥相反的作用,研究人员也考察了隐花色素Cry1a的作用。构建 cry1a 突变体 (cry1anz91) 后发现,与 per2 突变体幼鱼相反,缺乏Cry1a功能的幼鱼在所有光照条件下对感染都有更高的抵抗力,细菌负荷显著降低,过表达 cry1a 可以挽救这种增强的存活表型。

最后,文章提出了一种机制模型:在光照阶段,中性粒细胞中高水平的 Per2 阻止 Cry1a 抑制 CLOCK:BMAL1 对 hmgb1a 的驱动表达。而在 Per2 缺乏的情况下,Cry1a 可以自由抑制 CLOCK:BMAL1。在光照阶段,当 Per2 水平足够高以抵消 Cry1a 介导的抑制时,CLOCK:BMAL1 异二聚体可能通过染色质修饰等方式启动 NF-κB 的可及性,从而在感染时促进 hmgb1a 的放大表达。这个模型解释了光照对中性粒细胞感染驱动的 hmgb1a 表达的启动效应,以及 Per2 和 Cry1a 在调控 hmgb1a 表达和中性粒细胞杀菌活性中的相反作用。

简单来说,我们身体里的生物钟,通过 Per2 和 Cry1a 这两个蛋白,控制着中性粒细胞杀灭细菌的能力。Per2 像一个白天免疫力增强器,它在光照下水平升高,通过促进 hmgb1a 基因的表达,让中性粒细胞制造更多ROS活性氧,从而更有效地杀死细菌。而 Cry1a 则起相反的作用,会抑制 hmgb1a 的表达和中性粒细胞的杀菌能力。光照是启动这一切的关键信号,它通过生物钟系统,确保中性粒细胞在白天对细菌有更强的防御能力。

这项研究解释了为什么身体在白天对抗细菌的能力更强,所以有空多多晒太阳,有助于增强我们的免疫力。

参考文献:Lucia Yi Du et al. ,A light-regulated circadian timer optimizes neutrophil bactericidal activity to boost daytime immunity.Sci. Immunol.10,eadn3080(2025).