植物晝夜節律震盪 – 機制介紹與近期研究發展

2017 年的諾貝爾生理醫學獎頒發給 Jeff Hall、 Michael Rosbach 及 Mike Young 以表彰研究果蠅生理時鐘分子調控機制的貢獻。然而在果蠅之前，植物早已經是科學家們研究晝夜節律機制的對象。近代從觀察豌豆開始，植物生理時鐘的分子機制開始明朗：三個光合作用基因，包含光捕捉葉綠素 a/b 結合蛋白 (Light-harvesting chlorophyll a/b binding protein)，其 mRNA 表現量會隨著晝夜週期循環 [2] ，隨後同樣的現象也被發現於小麥。更多的研究也顯示，植物的生理時鐘和動物、真菌的生理時鐘基於類似同樣的調控邏輯，都是由多種路徑構成的互鎖回饋循環 (interlocked feedback loops)，唯其中分子組成有所不同 [3] 。本文將簡單介紹目前科學家們如何理解植物晝夜節律振盪器 (oscillator) 的機制。

【多重互鎖的轉錄回饋循環】

我們大多透過阿拉伯芥 (Arabidopsis thaliana) 瞭解植物的分子機制，生理時鐘的研究也不例外。整個回饋循環的核心包含 3 種轉錄因子，有兩種清晨表達的 LHY 和 CCA1 以及傍晚表現的 TOC1。CCA1 和 LHY 互為對方的轉錄抑制子 (repressor)，同時又會抑制 TOC1 以及其他多種輸出基因，而且 TOC1 同樣作為轉錄抑制子。因此阿拉伯芥生理時鐘的核心便是由這樣的負回饋循環構成，其中的晝和夜振盪器互為對方的抑制子。TOC1 為 PSEUDO-RESPONSE-REGULATOR (PRR) 基因組的一員，此基因組的成員會依序被表達。在黑暗末期與日照開始時，CCA1 和 LHY 的表現量最高，抑制 PRR 基因組 (含 TOC1)、GIGANTEA (GI)、和 evening complex (EC) 成員基因 (含LUX、ELF3 和 ELF4) 的表現。然而日照開始數小時後，PRR9、PRR7、PRR5 和 TOC1 會依序表現，抑制 CCA1 和 LHY 的轉錄，同時也抑制自身轉錄。這也將 CCA1 以及 LHY 的表現時間限縮在清晨一段極小的時間內。到了傍晚，TOC1 會抑制所有白天表現的基因以及 EC 成員基因，會抑制 GI、PRR9 和 PRR7 的轉錄。整體的路徑可以用圖一表示。

直至目前，本文所探討的機制均由負回饋組成，這已經可以勾勒出阿拉伯芥晝夜節律振盪的雛形 [5]。然而近期的研究顯示，許多轉錄活化蛋白 (transcriptional activator) 在植物的晝夜節律調控中也扮演了舉足輕重的角色。凌晨時，TCP20 和 TCP22 兩種轉錄因子會間接促進 LWD1 和 LWD2 轉錄輔助活化蛋白 (transcriptional co-activators) 的表現，而這也促進早晨 CCA1、PRR9、PRR7 和 TOC1 的表現。第二組轉錄活化蛋白為三種和 CCA1/LHY 同源的基因：RVE8、RVE4 和 RVE6。和 TCP/LWD 相比，這組轉錄活化蛋白會較晚啟動，並和轉錄輔活化蛋白 LNK1 和 LNK2 共同作用，促進 PRR5、TOC1 和 ELF4 的表現。另外，三個對光敏素 A 訊號產生 (phytochrome A signaling) 有促進作用的轉錄因子：FHY3、FAR1 和 HY5 也會在更晚之後促進 ELF4 的轉錄。

綜合以上的正負回授循環，便構成了阿拉伯芥晝夜節律振盪器的架構，也是作者整理出的目前科學家對於植物晝夜節律振盪運作機制的理解 (圖二) [6]。

【轉錄後調控 (Post-transcriptional regulation)】

轉錄後調控在植物的生理時鐘中隨處可見，這些複雜的調控機制也有助於植物適應環境壓力，而與之相關最重要的機制就屬選擇性剪接 (alternative splicing)。選擇性剪接可以讓同一個基因轉譯出不同的蛋白質，這使得植物生理時鐘的機能可以受到環境壓力的調控，尤其是溫度變化) [7]。例如，CCA1 和 LHY 對溫度的反應相異，LHY 在高溫時比 CCA1 在植物生理時鐘中重要；反之，CCA1 則在低溫時較為重要 [8]。高溫會促進 CCA1 的選擇性剪接而保留其第四內含子 (fourth intron, CCA1-IR4) ，最後造成無義介導的mRNA降解 (nonsense-mediated mRNA decay) ，使 CCA1 的表現受到抑制。低溫時，兩個選擇性剪接事件會發生在 LHY 上：在 5´UTR 區保留一個內含子以及加入一個額外的外顯子 5a，這個外顯子 5a 具有終止密碼子，停止後續的轉譯 ，此提前出現的終止密碼子會讓低溫時，功能正常的 LHY 減少。

【結語】

植物的晝夜節律調控機制由多個互鎖的回饋循環和轉錄後調控所組成，整個核心調控圍繞於 CCA1 與 LHY，其高度的複雜性使得植物能夠承受環境變化。隨著科學界對植物晝夜節律調控的分生機制愈來愈了解，未來科學家或許可以控制植物的生理時鐘，協助改良經濟作物、提高產量。 

參考文獻：

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[2] Kloppstech, K. (1985). Diurnal and circadian rhythmicity in the expression of light-induced plant nuclear messenger RNAs. Planta, 165(4), 502-506. DOI: 10.1007/BF00398095

[3] Strayer, C., Oyama, T., Schultz, T. F., Raman, R., Somers, D. E., Más, P., … & Kay, S. A. (2000). Cloning of the Arabidopsis clock gene TOC1, an autoregulatory response regulator homolog. Science, 289(5480), 768-771. DOI: 10.1126/science.289.5480.768

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[7] Hernando, C. E., Romanowski, A., & Yanovsky, M. J. (2017). Transcriptional and post-transcriptional control of the plant circadian gene regulatory network. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Regulatory Mechanisms, 1860(1), 84-94. DOI: 10.1016/j.bbagrm.2016.07.001

[8] Gould, P. D., Locke, J. C., Larue, C., Southern, M. M., Davis, S. J., Hanano, S., … & Hall, A. (2006). The molecular basis of temperature compensation in the Arabidopsis circadian clock. The Plant Cell, 18(5), 1177-1187. DOI: 10.1105/tpc.105.039990

撰文｜林鈺翔
審稿｜王振宇