生物钟查询（如何帮助我们读取体内的生物钟信息？）

查生物钟(如何帮助我们读取体内的生物钟信息？)

生物钟已被证明深入参与人类健康和医学，包括显著影响心脏手术和癌症治疗后的康复效果。最近，人工智能算法被用于生物钟的研究中，帮助科学家更有效地读取人体内部的生物钟信息。

作者|吴刚(美国辛辛那提儿童医院博士后)、张二泉(北京生命科学研究所研究员)

编辑|陈晓雪

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生物钟不仅与物种的进化息息相关，也与我们人类的健康息息相关。在生物钟的控制下，人体内的新陈代谢、内分泌和个体行为呈现昼夜循环。最近的研究进一步表明，哺乳动物的生物钟调节着基因组中高达50%的蛋白质编码基因。这一发现在人体生理学和药理学方面有着广泛的应用前景，促进了新的昼夜节律医学的发展[1]。

医用生物钟旨在通过对人体生物钟的研究，开发出更安全高效的疾病治疗方案。在最近的研究中，一些科学家发现，生物钟对心脏手术[2]和癌症治疗后的康复效果[3]有着显著的影响。

然而，在医疗实践和药物开发中，生物钟的时间效应往往被忽视。一个重要原因是我们很难取得人体样本的时间历程样本，从而无法深入研究人体生物钟调节的分子机制。研究中使用的传统生物钟模型对人类研究来说是不切实际的。我们很难想象连续24~48小时从人体多个组织中抽取时间序列样本，分析各种基因、蛋白质、代谢分子等的周期性变化。久而久之。

本周三，辛辛那提儿童医院的一项工作为系统分析人体生物钟调节的分子机制提供了新思路[4]。使用基于最流行的机器学习或人工智能技术的CYCLOPS算法，Hogenesch实验室从632名捐赠者中选择了13种组织样本，并在没有采样时间信息的情况下重建了这些样本的采样序列。通过对时间序列重建组织的分析，研究人员发现基因的周期性表达在人体中是普遍存在的。在这些周期性表达的基因中，有近1000个基因编码的蛋白质是药物靶向分子，参与药物转运或药物代谢(图1)。这项研究为昼夜节律在医学中的应用提供了宝贵的资源，并表明了时间维度对药物治疗效果的重要性。比如睡前服用硝苯地平会比起床后服用硝苯地平有更好的防治冠心病的效果[4]。

图一。霍根西实验室发表在《科学转化医学》上的文章的一些结论。Ruben-M.D .等人，Sci Transl Med (2018)

然而，将生物钟医学应用于人类疾病的诊断和治疗，还面临着另一个亟待解决的问题，即如何准确读取人体内的生物钟信息。人体内部的生物钟可能与其外部24小时周期性变化的环境(如时差、倒班、手机等现代电子产品的过度干扰)不匹配，可能对人体健康造成不适或危害。

今年年初，张二泉(本文作者之一)在《PNAS》杂志上报道了一种基于光纤记录的方法，可以远距离实时检测活体实验动物的脑钟基因表达[5]。该系统可以很好地监测动物的生物钟，但由于其具有将病毒引入报告基因、将光纤插入大脑等侵入性特征，无法用于检测人体的生物钟。

理想情况下，人体实验应(a)采用非侵入性方法；和(b)尽可能减少取样的次数和时间，减轻受试者的痛苦，降低实验成本。目前临床上检测人体生物钟的标准做法是监测人体褪黑激素浓度(DLMO)的变化，要求受试者在暗室中坐24小时，每30分钟取一次唾液样本，检测一个完整昼夜周期内褪黑激素的变化。这种方法满足(a)的条件，但对(b)几乎完全不满意。随着生物钟研究聚焦临床转化，如何解决这个问题变得越来越重要。

今年以来，已有两个实验室在该方向独立取得突破:德国柏林Charité大学医学院Kramer实验室在《临床调查杂志》(6月28日在线)上发表研究论文[6]，美国西北大学Braun实验室在《PNAS杂志》(9月10日在线)上发表研究论文[7]。这两项工作与第一篇文章的思路基本一致，即利用AI技术，通过对少量已知时间样本的研究，掌握十几个到几十个钟控基因的相对表达丰度，然后推广到检测人群中，这样真正的受试者只需取一两个时间点的血样，就可以基本确定其内部生物钟状态，时间相位精度可以达到1~2小时(图2)。

这两项任务的关键是一套有效的AI算法。该方案最初来自美国加州大学旧金山分校Hughey于2016年在《核酸研究》上发表的ZeitZeiger算法[8]。Hey等人利用小鼠的时间序列采样数据开发了这种算法，包括12种小鼠组织，每种组织覆盖24个时间点的转录组数据。ZeitZeiger算法最初的成功之处在于作者首次使用大量已发表的小鼠基因表达数据进行“机器学习”。改进的算法可以“学习”少量的人类数据来做出正确的判断，所以在Kramer实验室的这篇文章中使用了它。但是，博朗实验室的文章采用了自己的算法———time signature(同样，霍根西实验室的文章采用了独眼巨人算法)。

两篇论文采用的方法基本相同，实验目的也基本一致，即通过血液(钟控基因表达相对丰度)指标检测个体受试者的体内生物钟，用来评价这个人体内生物钟的相位和幅度，基本满足我们对健康人体内生物钟状态的判断。其不足之处在于没有考虑到不同组织的生物钟变化可能与非健康人群血细胞的生物钟不一致。

图二。Wittenbrink，n .等人采用的操作流程图，J Clin Invest

总之，从今年的这三篇文章可以看出，研究人员已经开始尝试用AI算法来解决之前需要多个采样点的问题，从而更有效地读取人体内部的生物钟信息。不同的是，第一篇文章着眼于控制各组织器官药物靶点的生物钟的内相，从而推导出各种药物的最佳服用时间点；后两篇文章利用已知的知识，即人体血液中的单核细胞含有生物钟信息，有助于快速识别个体内部生物钟的相位。这些方法都应用了基于RNA-seq的基因表达组学信息，将费时费力的多点取样变为多维多基因、单点(或双点)检测，降低了实际操作难度，为生物钟信息的临床应用开辟了道路。

[评论]

徐莹(苏州大学金苏研究中心主任、教授)

精准医疗一个非常关键点是获取个体的生物节律。 基因表达量在大部分个体之间的差异最大也就几倍，但在不同时间同一个体表达量的差异有可能达到百倍，所以就必须对时间依赖治疗手段予以充分考虑。以前，研究者们可以在动物身上通过间断时间对各种组织采样，或用生物钟的报告基因及活动节律作为动物的生物钟标记物来获取动物的节律参数。但是，在人体上的这种转化就非常困难。所以，研究者们便试图通过开发各种非创伤性方法（包括穿戴式设备如手环等）来获取人体生物节律参数用于生物钟医学。最近的这几篇文章为我们提供了很好的思路和方法，在获取人体生物节律的参数方面迈出了一大步。以前的研究都在长程、多点上着手但进展不大；现在的新思路是单点、多维分析，取得了阶段性的突破。不过，我个人认为到真正的转化还有一段距离。一是方法本身，基于小量样本出发的AI学习的准确性问题，以及对于各个民族、各个年龄阶段的适用性问题；二是生物钟本身的动态变化性，在疾病发生过程，甚至饮食时间、饮食成分、光线外界干预下的重塑问题；三是生物钟的异质性，各种组织、各种行为或生理过程的生物钟的时相是不同的。 因此，时间依赖治疗可能要结合药代动力学在靶器官的生物钟，而时间依赖的手术还需要考虑手术器官的生物钟，例如现在初步研究已经发现心脏手术的最佳时间在下午，但是我们却不清楚肝再生手术的最佳时间等等。这些还需要领域内的科研人员与临床各个科室的协同，才能真正实现生物钟层面的精准医疗。

参考资料:

[1] Zhang，r .，Lahens，N.F .，Ballance，H.I .，Hughes，M.E .，& Hogenesch，J.B .，哺乳动物昼夜节律基因表达图谱:生物学和医学意义。美国国家科学院院刊111 (45)，16219-16224 (2014)。

[2] Montaigne，d .等人，心脏手术围术期心肌损伤的日间变异及其通过Rev-Erbα拮抗作用的预防:一项单中心倾向匹配队列研究和一项随机研究。柳叶刀391 (10115)，59-69 (2018)。

[3] Squire，t .等人，时辰调节放射治疗是否能改善局部晚期直肠癌的病理反应？《时间生物学国际》34 (4)，492-503 (2017)。

[4] Ruben，M.D .等人，组织特异性节律性表达的人类基因数据库在昼夜节律医学中具有潜在的应用。科学转化医学10 (2018)于2018年9月12日在线推进。

[5] Mei，l .等人，自由活动小鼠大脑中昼夜节律的长期体内记录。美国国家科学院院刊115 (16)，4276-4281 (2018)。

[6] Wittenbrink，n .等人，从单一血液样品中高精度确定体内生理节奏时间。《临床研究杂志》128 (9)，3826-3839 (2018)。

[7] Braun，r .等人，从基因表达中稳健检测昼夜节律状态通用方法。美国国家科学院院刊(2018)于2018年9月10日在线发布。

[8] Hughey，J.J .、Hastie，t .、& Butte，A.J .、ZeitZeiger:振荡系统高维数据的监督学习。核酸研究44 (8)，e80-e80 (2016)。

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