昼夜节律（Circadian rhythm）是指机体适应外界环境中光-暗循环变化而建立的一种24小时制的内源性节律。
在哺乳动物中，下丘脑视交叉上核(SCN)是哺乳动物脑内的昼夜节律起搏器，通常分为腹外侧部分（核心区）和背内侧部分（壳区）。核心区作为外部信息输入的整合者，通过视网膜下丘脑束，接收来自光敏感视网膜神经节细胞(ipRGCs)的信息，传递至下游核团并设置相应的SCN神经元振荡相位。
然而，SCN对光反应的分子机制尚不完全清楚。神经元PAS结构域蛋白4（Neuronal Per-Arnt-Sim domain protein 4, NPAS4）是一种碱性螺旋-环-螺旋转录因子家族成员蛋白，其在视觉皮层中的表达受光诱导，是SCN中与神经元兴奋相关的急性即早基因（IEG）之一，具体功能知之甚少。
德克萨斯大学西南医学中心Joseph S. Takahashi团队，在《Neuron》杂志发表了题为“NPAS4 regulates the transcriptional response of the suprachiasmatic nucleus to light and circadian behavior”的研究。本研究中，使用染色质免疫沉淀技术、单细胞RNA测序和昼夜节律行为分析，检测不同光照时间点小鼠SCN中IEG的表达水平，以探索光诱导基因的整体动力学。
本研究发现，NPAS4缺失改变了小鼠昼夜节律行为，可能在介导下丘脑对光的反应中发挥了重要作用。
研究结果
SCN对光有不同的转录组反应
为分析SCN在急性持续性光暴露后的转录组反应，在光刺激(0、1、3和6小时）后对整个小鼠SCN进行单细胞RNA测序。为确定导致C57BL/6J小鼠对昼夜节律相移的光脉冲反应，作者将雄性小鼠饲养于黑暗环境中，并在昼夜节律时间(CT)诱导最大延迟。
通过免疫组化分析光刺激后SCN中FOS表达，结果表明，光照暴露0.5小时后FOS表达升高，并在暴露1小时后达到峰值(图1)。因NPAS4结合位点位于皮质神经元的FOS增强子，研究NPAS4是否协调SCN神经元的光调控转录反应。
作者通过乙酰化H3K27ac进行染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)寻找SCN中活性增强子，发现SCN具有持续的H3K27ac基础水平。在哺乳动物的核心生物钟基因中，Per1和Per2介导了生物钟的转录输入机制。在Per1位点中，H3K27ac和H3K4me3在三个备选TSSs(TSS1-TSS3)上有强烈的富集；在Per2位点中，启动子区出现NPAS4富集。
这表明NPAS4可能是Per1/Per2基因表达的上游调控因子，从而支持NPAS4参与SCN中光诱导基因表达调控的假说。
图1：光照驱动SCN中不同的转录组变化
SCN中的光响应细胞亚群
SCN神经元对光反应具有异质性。为了解SCN中光响应细胞亚型的整个谱系，在光（或无光）刺激1小时后对SCN组织进行单细胞RNA-seq，确定了45个簇，根据已知标记物分为7种不同细胞类型。
差异表达(DE)分析发现，神经元和星形胶质细胞之间的DE基因序列显著不同，表明细胞类型对光有特异性反应。为进一步完善聚类，接下来研究已知的SCN基因和神经元簇中排除的非SCN基因的表达。通过荧光原位杂交(FISH)检测不同光响应簇中Fos、Egr和Per1的表达。
对每种重聚细胞类型的光/暗库进行DE分析，结果表明肽神经元细胞类型对光的特异性反应(图2)。有趣的是，在光响应簇中，假定的NPAS4靶点显著富集Vip+簇最强，其次是Cck+和Avp+簇(图2H)，从而支持了NPAS4调控所有光响应肽能SCN神经元中基因表达。
图2：SCN神经肽细胞簇可以通过它们对光的反应进一步分类
SCN中NPAS4的缺失会导致昼夜节律行为的改变
虽然NPAS4在皮层多种细胞中表达，但具有明显的细胞特异性功能，如兴奋或抑制，这取决于昼夜节律阶段或SCN亚区。
为研究NPAS4在光刺激行为反应中的功能，检测同窝NPAS4+/+、NPAS4+/-和NPAS4-/-小鼠的昼夜运动活动节律。结果如图3所示，NPAS4缺失是大多数光诱导基因在光刺激下表达变化的基础，并导致光振幅相位响应曲线降低。
图3：缺乏Npas4的小鼠表现出异常的昼夜节律，对光的相位反应减弱，昼夜节律周期长。
综上，本研究发现缺乏NPAS4的小鼠有更长的昼夜节律周期，对光的相位响应曲线延迟，并且在SCN中光诱导的基因表达降低，表明NPAS4在光捕获效应和昼夜节律起搏器的动力学中发挥重要功能。
比较视觉皮层中的光诱导基因和SCN中Vip+神经元、Cck+神经元和星形胶质细胞，除FOS外诱导基因没有重叠，表明活性诱导基因的表达具有细胞特异性。
此外，对光的转录反应随着光照时间的延长而显著不同，在每种SCN神经肽细胞类型中并不相同，表明SCN中的神经元和非神经元细胞存在不同的转录反应。
作者的研究表明，NPAS4在SCN和Q9中对光的正常转录反应是必要的，这对昼夜节律行为的光相移至关重要。
参考文献
Xu P, Berto S, Kulkarni A, Jeong B, Joseph C, Cox KH, Greenberg ME, Kim TK, Konopka G, Takahashi JS. NPAS4 regulates the transcriptional response of the suprachiasmatic nucleus to light and circadian behavior. Neuron. 2021 Aug 12:S0896-6273(21)00570-5. doi: 10.1016/j.neuron.2021.07.026. Epub ahead of print. PMID: 34416169.
来源：转载于brainnews
