生物钟:生命的“滴答声”

2017-11-09 14:17:03 | 来源:河北新闻网
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为什么长高依赖于良好的睡眠?为什么一天中学习效率和效果有不同?为什么吃药要遵循一定的用药时间?为什么心脏病易在上午8点左右发作?为什么常吃夜宵会长胖?这些问题其实都跟生物钟有关。

2017年诺贝尔生理学或医学奖,授予了美国科学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什、迈克尔·扬,他们最先在果蝇体内发现了调控生物节律的基因,揭开了生物钟有趣又神秘的面纱。

这些嵌入生命体中的“滴答声”,究竟从何而来?

1 生命体普遍拥有“内置的时钟”

生物钟的具体表现,就是生物呈现出近24小时周期节律性,这是各种类型生命体基本特征之一。

“生物周期节律性,是生命体在漫长的进化历程中,为了适应自然界的周期性变化,进化出的内源性适应机制,这就是生物钟。”河北师范大学生命科学学院教授徐小冬说,生物周期节律中被关注最多的是昼夜节律。在长期的生物进化过程中,从原核生物(蓝绿藻、真菌)、植物、无脊椎动物,到最高级的人类,都能够感受光照等周期的信息(昼夜变化和日夜长短变化),以24小时为周期调节各种生理功能,从而适应自然环境的周期性变化。

研究发现,通常情况下,人大约在凌晨2时进入深度睡眠,凌晨4时30分体温最低,清晨6时血浆皮质醇达到最高点,清晨7时30分褪黑素停止分泌,上午10时进入高度清醒状态,下午2时30分机体协调性最佳,傍晚6时体温最高,傍晚7时血压最高,晚9时褪黑素开始分泌……人的各项生理活动有着显著的昼夜节律性变化。

“人类在长期进化过程中,保持了夜间安静睡眠、白天清醒活动的昼夜节律。人体的各种生理活动,如呼吸、循环、消化、内分泌等也呈现相应的昼夜节律性变化。在一天中的不同时段,人体生物钟可以精准地调节自身生理机能,包括激素水平、睡眠需求、体温和新陈代谢等。”徐小冬说,生物钟机制最重要的特点是内源性,也就是生物钟启动后,即使去除外界环境中的节律变化,生物钟依然起作用。拿人来说,即使进入持续光照环境,由于体内生物钟依然运行,人体生理生化活动依然会在很长一段时间里保持节律性。

若一个人的活动与生物钟节律不匹配,他就会感到不舒服,比如长途飞行之后需要“倒时差”。还有证据表明,当一个人的生活方式与内在生物钟节律长期不相符时,患上多种疾病的风险会增加。研究证明,昼夜节律紊乱,与肥胖、糖尿病、高血压、高血脂、严重的脑部疾病、阿尔茨海默病,乃至肿瘤的发生发展都有关系。

“人和动物的生理有节律性,花草树木也是一样。”徐小冬说,在相当长的历史时期,人们虽然都注意到很多由生物钟调控的周期节律现象,却“知其然而不知其所以然”。今年的3位诺贝尔生理学或医学奖获得者取得的研究成果,正是从分子水平上解开了生物钟运行之谜。

2 基因和蛋白是生物钟的“齿轮链条”

“杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什、迈克尔·扬揭秘生物钟,是在美国分子生物学家本泽及其学生科罗普卡工作的基础上,经进一步研究取得的。”徐小冬说。

果蝇体内是否存在控制其昼夜节律的基因?为了弄清这个问题,本泽和科罗普卡在上世纪70年代利用果蝇开展研究,最终找到一种相关基因,该基因产生突变后,会致使果蝇昼夜节律周期有的变短有的变长,有的昼夜节律完全消失。本泽和科罗普卡将这种基因命名为周期基因。

但周期基因是如何影响果蝇昼夜节律的,本泽和科罗普卡并不清楚。“搞清楚这一问题分子机理的,正是杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什、迈克尔·扬。”徐小冬说。

1984年,在美国波士顿的布兰迪斯大学有着紧密合作关系的科学家杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什,以及洛克菲勒大学的科学家迈克尔·扬,成功提取和分离出果蝇周期基因。杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什接着发现周期基因编码的PER蛋白在夜间不断累积,在白天又发生分解。而且,PER蛋白水平的变化以24小时为周期,正好与昼夜节律保持同步。

PER蛋白节律变化是如何产生并维持的?杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什猜想,PER蛋白阻断了周期基因的活性,即PER蛋白与周期基因形成一个抑制反馈环路,PER蛋白阻止了周期基因合成自己,因而持续而周期性地调节了自身的水平。当周期基因激活时,信使RNA就生成并进入细胞质中,作为PER蛋白产生的模板。接着,产生出的PER蛋白进入细胞核中聚集,阻断周期基因的活性,使生产的PER蛋白减少。这样就形成了昼夜节律。

按照杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什的这一设想,为了阻断周期基因的活性,在细胞质中产生的PER蛋白需要进入细胞核。因为那里才是存储遗传物质的地方。杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什研究证实,PER蛋白是在夜间聚集到细胞核的。可是,从理论上说,PER蛋白仅凭自身是无法进入细胞核的。那么,PER蛋白是如何到达细胞核并积聚的?

“1994年,迈克尔·扬发现另一个节律基因,即无时基因,该基因编码TIM蛋白。”徐小冬说,迈克尔·扬证实,当TIM蛋白和PER蛋白结合到一起时,两种蛋白就能进入细胞核,从而阻断周期基因活性。

“3位诺贝尔奖获得者的研究揭示了生物钟运行的分子机制。之后,其他科学家又发现了一些新的基因,进一步完善了生物钟基因调控果蝇昼夜节律的分子机制。”徐小冬说,“更为重要的是,科学家们后来发现,其他物种包括人类体内控制生物钟变化的分子机制都与果蝇类似。”

3 生物钟机制应用前景看好

“生物钟研究已经成为生命科学研究中与其他学科交叉和协同最广泛、最受重视的基础学科之一,是生命科学领域中备受瞩目的前沿研究方向。”徐小冬介绍,我国已有几十个大学和科研单位的60多家实验室在从事植物、动物、人类的生物钟相关研究。目前,国内生物钟研究水平接近世界前沿,果蝇、植物、蓝藻、脉胞菌、斑马鱼、小鼠、人类等各类研究的模型生物齐备,并频繁开展国际学术交流活动。

“研究生物钟有着重要的意义,能够服务社会、造福社会。”徐小冬说,研究证明,人类遵循生物钟很重要。在一天之中的不同时段,人体内的生物钟对人的生理功能进行着非常精准的调节。人应该遵从体内的生物钟来作息,该睡觉时睡觉,该休息时休息。工作中遇到夜班和倒时差等情况,也要按照科学的方式调整自身生物钟。

“生物钟研究将给患者提供更精准的治疗方案,提示医疗操作进行改变,比如调整检查或用药时间,以获得更佳疗效。”徐小冬表示,在晚上,心脏病、哮喘等一些疾病患者的相关生理指标更明显,此时进行监测检查,结果更精确。

“吃药治病要讲时辰,是有生物钟理论依据的。”徐小冬解释说,在生物钟的调控下,人体的基础代谢、体温变化、血糖含量、激素分泌等功能都具有节律性和峰谷值。药代动力学研究表明,身体的昼夜节律对药物在体内的代谢和药效会产生明显影响,同时会让药物的生物利用效率、血药浓度、代谢和排泄等也产生昼夜节律性变化。选取最佳时间给药治疗,有助于提高疗效,也能减少不良反应和副作用的发生。

长期以来,癌症严重危害着人们的生命健康。医学实践证明,利用生物钟特征治疗癌症,可以降低化疗对正常细胞损伤、提高癌细胞杀伤率。因为正常细胞的分裂和增殖有昼夜节律,而癌细胞全天候处于较高的增殖分裂状态,所以,在正常的细胞分裂最少的时候进行化疗,就可最大限度地发挥疗效,产生最小的副作用。

“生物钟系统参与调控了植物体内绝大多数的信号转导途径,对生物钟与其他信号途径的应答反应的研究,对农业生产具有理论指导价值和应用前景。比如通过科学利用生物钟,可以增强植物的适应性、抗逆性,可能带来产量的进一步提高。”徐小冬介绍说,生物钟还可运用到农药杀虫方面。有研究发现,农田杀虫剂在不同时间段杀虫效果不同,这是因为害虫的抗药力受生物钟影响,选在害虫抗药力差的时候杀虫会达到事半功倍的效果。

“眼下,生物钟研究正在日益深入。”徐小冬认为,生物钟研究有望带来更多经济和社会效益,造福社会大众。

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编辑:郭芳

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