Nature：镁离子在细胞生物钟运转中起关键作用

2016年4月15日/生物谷BIOON/–在一项新的研究中，来自英国爱丁堡大学和剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室（MRC Laboratory for Molecular Biology）的研究人员发现我们饮食中的一种必需矿物质在有助生物持续适应昼夜节律中发挥着意想不到的作用。相关研究结果于2016年4月13日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Daily magnesium fluxes regulate cellular timekeeping and energy balance”。
镁离子—在很多事物中发现的一种营养物质—有助于控制细胞如何维持它们自己的时间节律来处理昼夜的自然环境周期。

这一在细胞中获得的发现有望与人体生物钟相关联，其中人体生物钟影响醒睡、激素释放、体温和其他重要的人体功能的日周期节律或者说昼夜节律（circadian rhythm, 也译作生理节律，24小时节律）。

这一令人吃惊的发现可能有助于为人们开发时间疗法（chronotherapy），即按照一天的时间安排治疗，以及开发新的产量增加的或对收获季节进行调整的作物品种。

针对3种主要的生物—人细胞、藻类植物和真菌—开展的实验发现在每种生物中，细胞中的镁离子水平在日周期节律中上升和下降。

研究人员发现这种波动在维持细胞的24小时节律中起着至关重要的作用。他们吃惊地发现它也对细胞在整个一天的过程中的代谢—细胞如何能够多快地将营养物转换成能量—产生巨大影响。

在这项研究中，研究人员进行分子分析，发现在这些细胞类型中，镁离子浓度在24小时节律中上升和下降，而且这影响细胞自己的生物钟。

进一步的测试表明，镁离子水平与这些细胞燃烧能量的能力相关联。人们已经知道，镁离子在帮助生物将食物转化为燃料中发挥着不可或缺的作用，但是在这项研究中，研究人员吃惊地发现它也控制这种生物功能何时发生和如何高效地发生。

论文共同通信作者、爱丁堡大学生物科学学院科学家Gerben van Ooijen博士说，“生物钟是所有生物所必需的。它们影响我们人体健康和疾病的很多方面，这种影响同样也适用于作物和微生物。如今，有必要发现如何将这些非常新的观察结果转移到整个组织或有机体中，以便让我们为了医学和农业目的更好地在复杂的有机体中影响它们。”

另一名论文共同通信作者、剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室科学家John O’Neill博士说，“尽管镁离子在多种组织中的临床意义正开始获得更多的关注，但是镁离子如何调节我们人体的生物钟和代谢在此之前并未被人们考虑过。这一新发现可能产生包括人类健康到农业生产率在内的一系列益处。”

Daily magnesium fluxes regulate cellular timekeeping and energy balance

doi:10.1038/nature17407

Kevin A. Feeney, Louise L. Hansen,Marrit Putker, Consuelo Olivares-Yañez, Jason Day, Lorna J. Eades, Luis F. Larrondo, Nathaniel P. Hoyle, John S. O’Neill & Gerben van Ooijen

Circadian clocks are fundamental to the biology of most eukaryotes, coordinating behaviour and physiology to resonate with the environmental cycle of day and night through complex networks of clock-controlled genes1, 2, 3. A fundamental knowledge gap exists, however, between circadian gene expression cycles and the biochemical mechanisms that ultimately facilitate circadian regulation of cell biology4, 5. Here we report circadian rhythms in the intracellular concentration of magnesium ions, [Mg2+]i, which act as a cell-autonomous timekeeping component to determine key clock properties both in a human cell line and in a unicellular alga that diverged from each other more than 1 billion years ago6. Given the essential role of Mg2+ as a cofactor for ATP, a functional consequence of [Mg2+]i oscillations is dynamic regulation of cellular energy expenditure over the daily cycle. Mechanistically, we find that these rhythms provide bilateral feedback linking rhythmic metabolism to clock-controlled gene expression. The global regulation of nucleotide triphosphate turnover by intracellular Mg2+ availability has potential to impact upon many of the cell’s more than 600 MgATP-dependent enzymes7 and every cellular system where MgNTP hydrolysis becomes rate limiting. Indeed, we find that circadian control of translation by mTOR8 is regulated through [Mg2+]i oscillations. It will now be important to identify which additional biological processes are subject to this form of regulation in tissues of multicellular organisms such as plants and humans, in the context of health and disease.