Cell Chemical Biology | 饒毅團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MARK2是調(diào)控生物鐘PER2的關(guān)鍵激酶

晝夜節(jié)律是生物體適應(yīng)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)源性計(jì)時(shí)系統(tǒng)，調(diào)控著睡眠-覺醒、代謝和免疫等生理過程的日常波動(dòng)。這一精密的分子時(shí)鐘核心由轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路構(gòu)成，其中PERIOD2（PER2）蛋白的穩(wěn)定性與磷酸化修飾是調(diào)控節(jié)律周期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。2001年，科學(xué)家在家族性睡眠相位提前綜合征患者中發(fā)現(xiàn)PER2基因S662G突變，該突變導(dǎo)致PER2蛋白第662位絲氨酸無法被磷酸化，使患者晝夜節(jié)律周期縮短約4小時(shí)。多年來，尋找磷酸化PER2 S662的生理性激酶一直是生物鐘領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。

2026年3月10日，北京腦科學(xué)與類腦研究所饒毅教授團(tuán)隊(duì)在《Cell Chemical Biology》發(fā)表題為《Discovery of MARK2 as a physiological kinase for PER2 in the mammalian clock》的研究論文。通訊作者為饒毅教授，共同第一作者劉玉祥、李揚(yáng)、余騰輝、王濤、崔云鳳、朱晨等來自北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院及北京腦科學(xué)與類腦研究所等多個(gè)單位。

研究團(tuán)隊(duì)通過生化純化策略，從HEK293T細(xì)胞裂解液中追蹤PER2 S662磷酸化活性。經(jīng)過SP HP、Blue HP、Heparin HP、Q HP、羥基磷灰石和Superdex 200六步層析分離，在銀染膠中鑒定出MARK2和MARK3等6種蛋白激酶。體外激酶實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MARK2和MARK3可直接磷酸化PER2 S662，而MARK2 T208A或MARK3 T211A突變體則喪失激酶活性。進(jìn)一步的ARK家族篩選顯示，SIK1-3、MARK1-4、TSSK1/2/4和NIM1K均能在體外磷酸化PER2 S662。

免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)揭示，MARK2通過識(shí)別PER2蛋白498-557區(qū)域與之特異性結(jié)合，而MARK3缺乏此結(jié)合能力。在HEK293細(xì)胞中，MARK2過表達(dá)可延緩PER2蛋白降解，半衰期明顯延長；但對(duì)于PER2 S662G突變體，MARK2過表達(dá)則無法產(chǎn)生穩(wěn)定效應(yīng)。這表明MARK2對(duì)PER2的穩(wěn)定作用嚴(yán)格依賴S662磷酸化。

在Per2::dLuc U2OS細(xì)胞模型中，MARK2過表達(dá)使晝夜節(jié)律周期延長0.63小時(shí)，而MARK2基因敲除導(dǎo)致周期縮短1.13小時(shí)。引人注目的是，在PER2 S662G突變細(xì)胞中敲除MARK2，既不能進(jìn)一步縮短周期，也無法降低PER2蛋白水平。這表明MARK2調(diào)控晝夜節(jié)律完全依賴于PER2 S662位點(diǎn)。

為驗(yàn)證MARK2的生理功能，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了神經(jīng)元特異性Mark2敲除小鼠。行為學(xué)分析顯示，Nestin-Cre;Mark2flox/flox小鼠的活動(dòng)相位顯著提前（ZT12.05 vs ZT12.37），自由運(yùn)行周期縮短約0.2小時(shí)（23.76小時(shí) vs 23.96小時(shí)）。相比之下，Mark3和Mark4敲除小鼠均未表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律異常。這一表型與人類FASP患者及PER2 S662G突變小鼠的特征高度吻合。

本研究通過歷時(shí)24年的探索，最終以生化純化策略解決了PER2 S662激酶的身份之謎，不僅揭示了MARK2作為生物鐘關(guān)鍵調(diào)控因子的生理意義，也為理解蛋白質(zhì)磷酸化在行為節(jié)律調(diào)控中的作用提供了新視角。

該研究工作由北京腦科學(xué)與類腦研究所饒毅課題組完成，劉玉祥、李揚(yáng)、余騰輝、王濤為共同第一作者，崔云鳳、朱晨、賈曉波、李成鋼、沈雨欣、王準(zhǔn)、劉尚臣亦有諸多實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，北京腦科學(xué)與類腦研究所李佳越為本文配圖。研究得到了北京腦科學(xué)與類腦研究所遺傳操作中心黃娟博士和行為分析中心孫曉敬博士、羅沛宜博士、高子龍博士以及北京大學(xué)國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心劉棟博士、張琪博士的支持。

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