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生物钟如何控制身体

2017-10-03  遥之遥遥
杰弗里·霍尔(Jeffrey C. Hall)1945 年3 月3 日生于纽约布鲁克林,美国遗传学家。于1971 年获得西雅图华盛顿大学遗传学博士学位,于1974 年成为布兰迪斯大学教员。1984 年他和迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)的研究小组克隆了果蝇的period 基因,这个基因能够调节果蝇的生物钟。他们还揭示出该基因所编码的信使核糖核酸和蛋白质含量随昼夜节律而变化。

自我调节的周期节律

接下来,科学家需要研究的一个重大课题,就是PER 这个蛋白如何保持稳定的震荡周期。Jeffery Hall 和Michael Rosbash 提出了一个假说:PER 蛋白可以让period 基因失去活性。换句话说,PER 和period 形成了一个抑制反馈的环路,PER 可以抑制基因合成自己,这样就形成了一个连续,循环的节律(如下图)。

图丨period基因反馈条件的简单示意图。在这幅图里,period基因经过了一个完整的24小时周期。当period基因有活性的时候,可以合成period mRNA,后者进入细胞质后开始合成PER蛋白。PER又会进入细胞核,逐渐积累,抑制period的活性。这样就形成了一个抑制性的反馈机制,形成了昼夜节律。

这个模型非常有趣,但是仍然有几个问题没有解决。PER 蛋白质只有从细胞质进入细胞核,才能抑制period 基因。Jeffery Hall 和Robash的研究表明,每当晚上的时候,PER 蛋白会在细胞核里积累,但是它是如何进入细胞核的?1994 年,Michael Young 发现了第二个节律基因:timeless。Timeless 可以编码TIM蛋白,同样为正常节律所需。Young 做了一个漂亮的实验,发现TIM 会结合到PER 上,然后两个蛋白可以一起进入细胞核,并且在那里抑制period 基因的活性(如下图)。

图丨参与调节节律钟的分子的简单示意图

以上的研究揭示了细胞蛋白水平为什么会出现震荡,当还有问题。这种震荡的频率周期为什么维持在24 小时?Michael Young 又发现了一个基因doubletime,可以编码DBT 蛋白。DBT 可以延迟PER 蛋白的积累,这解释了为什么震荡的周期为什么会稳定在24 小时左右。

这三位新科诺贝尔奖得主的研究阐述了生物钟的理论基础。在随后的几年里,其他一些分子也被发现,进一步解释了生物钟的机理和稳定性。例如,他们三人还发现了其他一些蛋白可以维持period的活性,以及外界的光如何调节生物钟。

守时的人体生理学

生物钟在复杂的人体生理中的方方面面都有涉及。我们已经知道所有的多细胞生物,包括人类,都是使用同一个相似的机制来调节生理节奏。生物钟能调节我们大部分的基因,并且最终这个生物钟能使我们的生理情况适应一天中不同时段。

图丨因为这三位得主极有创意的发现,昼夜节律学已经发展成为一个涉及面广且动态发展的学科领域,并且一定会对人类做出巨大贡献。

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