科技 | 生物钟原来是这样"滴答"走动的,解读2017诺贝尔生理学或医学奖

摘要: 就是这么神器,快点开看看


“十一”长假期间,2017年诺贝尔奖各科学奖项陆续公布。其中,因为涉及生物节律这个人们熟悉又困惑的现象,本年度的诺贝尔生理学或医学奖格外受关注。


从蓝绿藻到真菌,从植物到动物,地球生命普遍拥有一套内置的时钟,以24小时为周期调节生理活动,以适应我们这颗行星的自转和昼夜变化。获得2017年诺贝尔生理学或医学奖的三位美国科学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬,在分子水平上揭示了生物时钟怎样“滴答”走动。

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生物时钟的“振荡器”

生物节律、生物时钟、生物周期等有一个相似或相同的含义,即生物甚至自然万物的行为都按一定的周期和规律在运行。春去秋来,潮涨潮落;花开花谢,夜去昼来;日出而作,日落而息……所有这些,都是自然和生物的节律。


含羞草叶子在黑暗中仍按昼夜规律开闭,向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方,人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困——生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激,而是由某种内在机制掌控。钟表的核心元件是振荡器,比如钟摆、机械振子或石英电路,它们产生稳定的周期性振动。



那么在生物体里,这个振荡器是什么?


人们很早就发现生物节律特征可以遗传,随着分子生物学发展,科学界逐渐提出“生物钟基因”的设想。20世纪70年代,美国加州理工学院的西摩·本泽和罗纳德·科诺普卡用果蝇做实验,筛选相关的基因突变。

果蝇的破蛹羽化有着特定节律,野生品种只在一天的特定时刻出蛹,周期是24小时。科诺普卡等人培养并筛选出了周期更长或更短,甚至没有周期的果蝇,发现它们在基因组的同一区域发生突变,从而定位到了生物钟基因,并将其命名为“周期”基因。


1984年,杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬克隆出了“周期”基因,并把它编码的蛋白质命名为PER。他们发现,果蝇体内的PER蛋白质浓度有规律地变动,振荡周期正是24小时。至此,人们找到了生物钟的“振荡器”。

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 “振荡器”的工作原理

霍尔和罗斯巴什提出了一个“负反馈”机制:PER蛋白质浓度上升会抑制“周期”基因的活动,阻止基因制造出更多的PER蛋白质,导致浓度回落。这就好比攒下几个钱后,人就不继续工作挣钱了。


抑制基因活动必须在细胞核里进行,而PER蛋白质自身无法进入细胞核,需要另一种蛋白质的协助,即扬于1994年发现的第二个生物节律基因“无时”,其编码的蛋白质被称为TIM。PER蛋白质浓度比较高时,能与TIM蛋白质结合,从而获得进入细胞核的“通行证”。


如果把PER蛋白质比拟成钱、“周期”基因的运作比拟成劳动,那么TIM蛋白质就可以比作消费欲望,其他基因分别是消费行为、工作动力等,整个振荡过程可以想象成工薪族钱包鼓起来又瘪下去的周期性变动。



霍尔说,弄清这一机制有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题。

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生物节律与疾病




后来,生物节律的分子机理进一步被发现,许多其他分子也具有调整生物节律的作用,并被认为是生物节律分子。例如,到了夜晚,人大脑中的松果体分泌的褪黑激素增多,可以帮助人安然入睡,但在白天褪黑激素分泌减少,又让人以饱满的精力去工作。而且,褪黑激素也能调整时差,纾解压力,解决情绪失调,并且是一种很强的抗氧化物,能中和并清除自由基。所以褪黑激素也被视为一种生物时钟。



当人们不按生物时钟作息、生活和工作时,工作效率会很低,而且还会患病。例如,当今的富贵病之一——糖尿病就被发现与生物时钟有关。


流行病学研究早就发现,三班倒工人患Ⅱ型糖尿病的概率比一般人高。研究人员发现,褪黑激素与Ⅱ型糖尿病的发病有关。


尽管褪黑激素与糖尿病发病增高的机理尚不太清楚,但研究人员推测,褪黑激素受体可能激活一种传输到胰腺的信号,而胰腺则是制造胰岛素的器官,因而涉及糖尿病的发病机理。来源:新华社、《北京日报》


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