单细胞RNA测序揭示了使用培元通窍汤治疗的过敏性鼻炎患者体内免疫细胞的变化

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Single-cell RNA sequencing reveals immune cell alterations in patients with allergic rhinitis treated with Peiyuan Tong-qiao decoction

　　本研究探讨光自养（HSM）和光异养（HSA）条件下隐棒藻（Chlamydomonas reinhardii）的光趋性昼夜节律及其温度补偿特性，采用GaMoSEC分析框架检测到约24小时的昼夜节律和60-80分钟的ultradian节律，后者在HSA条件下更为显著，并证实了温度补偿效应（Q10分别为1.01和1.07）。

　　这项研究聚焦于单细胞绿藻 *Chlamydomonas reinhardii*（简称 *C. reinhardii*）在不同代谢条件下的光趋性（phototaxis）和昼夜节律（circadian rhythmicity）。研究人员通过在光自养（photoautotrophic）和光有机营养（photoorganotrophic）条件下培养藻类，探讨了代谢环境如何影响其节律行为。研究还引入了一种新的分析方法——GaMoSEC（一种基于小波变换的多尺度分析框架），以更全面地解析生物节律的时间特性。

*Chlamydomonas reinhardii* 是一种广泛用于研究生物钟的模式生物。它不仅具有典型的昼夜节律，还表现出超昼夜节律（ultradian rhythms）现象。研究中发现，当藻类在持续的微弱光照条件下培养时，其光趋性呈现出稳定的自由运行节律，周期约为24小时，并且表现出与先前光暗周期相位相关的响应。光趋性的最大速率出现在主观白天（subjective day）期间，这表明藻类的光趋性行为受到其内部节律机制的调控。

此外，研究还发现，光趋性节律在不同代谢条件下表现出不同的温度补偿特性。在光自养条件下（HSM），节律的Q10值为1.01，而在光有机营养条件下（HSA）则为1.07。Q10值反映了温度变化对节律周期的影响程度，较低的Q10值表明节律在温度变化下保持相对稳定。这一发现表明，*C. reinhardii* 在不同代谢状态下，其节律对温度的响应存在差异，这可能是由于代谢过程对细胞内时间信号的调节机制不同所致。

研究人员使用了多种分析方法来识别和量化这些节律。首先，他们采用高斯连续小波变换（Gaussian Continuous Wavelet Transform, cwt）对时间序列数据进行初步处理，以识别不同时间尺度上的波动模式。随后，使用复数Morlet小波变换（Complex Morlet cwt）来检测周期性振荡，并通过实部和虚部的分析来确定节律的相位和振幅。接下来，他们应用了同步挤压小波变换（Synchrosqueezing）以提高频率分析的精度，从而更准确地确定节律的周期和强度。最后，通过经验小波分解（Empirical Wavelet Decomposition, EWD）进一步验证了这些节律的存在，并展示了不同时间尺度上的动态变化。

研究还发现，在光有机营养条件下（HSA），*C. reinhardii* 的光趋性时间序列中存在比昼夜节律更快的波动，周期在60至80分钟之间。这些快速波动可能代表了另一种时间尺度上的节律机制，可能与细胞内的代谢活动或信号传导过程有关。相比之下，在光自养条件下（HSM），这种快速波动并不明显。这一结果表明，不同的代谢条件可能影响细胞内不同时间尺度的节律行为，从而揭示了代谢状态对生物节律调控的复杂性。

研究中还观察到，当藻类在持续光照条件下生长时，其光趋性节律在短时间内会减弱甚至消失。然而，当光强度突然降低后，这种节律能够重新启动并持续存在。这表明，光趋性节律具有一定的内在稳定性，但其持续性依赖于特定的环境条件和细胞状态。进一步的实验表明，当藻类处于指数生长期时，光趋性节律的强度和持续时间显著增强，而在静止期则明显减弱。这一现象可能与细胞分裂周期和代谢活动的同步性有关。

在分析过程中，研究人员还注意到，细胞数量和叶绿素 *a* 的浓度在不同代谢条件下表现出不同的节律特性。在光自养条件下，细胞数量在光照期增加，而在暗期保持相对稳定。而在光有机营养条件下，叶绿素 *a* 的浓度在暗期达到峰值。这种差异可能反映了不同代谢途径对细胞内资源分配和信号传导的影响。同时，研究人员还发现，光趋性节律的强度和持续时间在不同温度条件下有所变化，这进一步支持了温度补偿现象的存在。

研究还指出，GaMoSEC 方法能够有效捕捉生物时间序列中的多尺度节律特征，从而为理解生物节律的复杂性提供了新的工具。该方法结合了多种小波分析技术，能够在不同时间尺度上识别节律的起始、变化和终止，并且能够区分不同节律的相位和振幅。这种方法不仅适用于 *C. reinhardii*，还可能推广到其他生物系统中，用于研究更广泛的生物节律现象。

此外，研究还涉及对细胞数量和叶绿素 *a* 的定量分析。研究人员通过使用血细胞计数器（haemocytometer）对细胞进行计数，并在不同时间点记录数据。结果显示，细胞数量在光照期显著增加，而在暗期维持相对稳定。这种动态变化可能与细胞的分裂周期和光合作用的调控机制有关。同时，叶绿素 *a* 的浓度在不同代谢条件下也表现出周期性波动，这表明光合作用的活性与细胞内的代谢状态密切相关。

研究还探讨了 *C. reinhardii* 在不同光照条件下（如持续微弱光或强光）的光趋性行为。结果表明，当光强度突然降低时，藻类能够迅速调整其光趋性行为，表现出较强的自由运行节律。然而，当光强度保持不变时，这种节律则会逐渐消失。这表明，光强度的变化可能是触发光趋性节律的重要外部因素。同时，研究还发现，光趋性节律的维持依赖于细胞的代谢状态，特别是在光有机营养条件下，细胞能够更有效地利用外部能量来源，从而保持更长的节律持续时间。

为了更深入地理解这些节律的形成机制，研究人员还分析了藻类的荧光光谱和叶绿素 *a* 的浓度变化。这些数据为光趋性行为提供了生理和生化层面的支持。例如，叶绿素 *a* 的浓度变化与光合作用的活性密切相关，而荧光光谱则反映了细胞内光反应的动态变化。这些发现有助于揭示藻类如何通过其内部节律机制协调光合作用和代谢活动。

研究还指出，光趋性节律的维持与细胞内的多种生物过程密切相关。例如，细胞分裂周期、能量代谢和信号传导系统都可能受到节律调控的影响。在光自养条件下，细胞分裂主要发生在暗期，而在光有机营养条件下，这种分裂模式可能有所变化。此外，研究还发现，光趋性节律的强度与细胞内的ATP/ADP水平有关，这表明能量代谢在节律调控中扮演了重要角色。

总体而言，这项研究揭示了 *Chlamydomonas reinhardii* 在不同代谢条件下的光趋性节律特性，以及这些节律如何受到光历史和温度变化的影响。研究还强调了GaMoSEC方法在解析生物节律中的应用价值，表明该方法能够提供更精确的节律分析，并有助于理解不同时间尺度上的生物动态。这些发现不仅为藻类生物学提供了新的视角，也为更广泛的生物节律研究奠定了基础。未来的研究可以进一步探索这些节律的分子机制，以及它们在不同环境条件下的适应性变化。此外，研究还提到，随着分子生物学和基因工程技术的发展，*C. reinhardii* 作为研究生物钟的模式生物，具有重要的应用潜力，包括在生物能源生产、环境修复和生物制药等领域的应用。