與你生活息息相關的晝夜節律

北京時間 10 月 2 號 17 點 30 分，瑞典卡羅琳醫學院在斯德哥爾摩宣布今年的諾貝爾生理學或醫學獎授予三位美國遺傳學家 Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Machael W. Young, 以表彰三者在晝夜節律研究中取得的進展。

1984 年，這三位科學家發現如果改變果蠅體內一組特定基因，其生物鐘就會被改變，這組基因被命名為周期基因。這個發現揭示出生物鐘是由遺傳基因決定的。在此基礎之上，他們發現果蠅腦內周期基因的 mRNA 和蛋白水平呈晝夜節律性變動它們在早晨濃度較低，而夜晚濃度升高。之後，三位科學家進一步探索，發現更多與生物鐘有關的基因（9 至 12 組），並研究出他們的產生、運作機制，了解這些基因的 mRNA 及蛋白是怎樣控制晝夜節律的，找到了操控晝夜節律的分子機制。

這個研究成果的最大價值在於這個調控機制也適用於其他生物，包括人類。例如，人類有兩個基因，與果蠅的晝夜節律基因對應，而這兩個基因與影響睡眠節奏的遺傳病呈現相關。從基因變異角度研究哺乳動物生物節律，三位科學家為治療人類遺傳性疾病做出重要貢獻。

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接下來，筆者將帶大家重溫晝夜節律分子機制的發現的艱辛歷程。

18 世紀：Jean Jacquesd Ortous de Mairan。早在十八世紀，天文學家 Jean Jacquesd Ortous de Mairan 便通過研究含羞草屬植物葉片展開和閉合的晝夜規律，發現了植物似乎有著自己的生物鐘。

20 世紀 70 年代：Seymour Benzer & Ronald KonopkaSeymour Benzer 和 Ronald Konopka 提出並發現了確實存在控制果蠅晝夜節律的基因。他們將這個基因命名為 period （周期）。但這個基因的作用機制仍不得而知。

1984 年：Jeffrey C. Hall & Michael Rosbash、Machael W. Young 波士頓布蘭戴斯大學的傑弗理·霍爾和邁克爾·羅斯巴殊的團隊，以及在紐約洛克菲勒大學的邁克爾·楊，分別獨立地從果蠅中克隆出了 period 基因。

1988 - 1992 年：Jeffrey C. Hall & Michael Rosbash、Machael W. Young 上述兩個課題組都檢測出來 per 基因的 mRNA 及蛋白質在細胞內的時間及空間上的表達；進一步，Jeffrey C. Hall & Michael Rosbash 課題組提出 per 蛋白及per mRNA 在果蠅中存在晝夜變化，並提出了生物鐘的轉錄-翻譯負反饋調控機制。

1994 年：Machael W. Young。Machael W. Young 課題組報道發現 timeless 基因，即 TIM。其發現 TIM 基因會影響 per 基因的表達和 RNA 的晝夜變化，此外，TIM 蛋白還會影響 per 蛋白進入細胞核。

1998 年：Machael W. Young。隨後，Machael W. Young 還發現了另一個調控節律的基因 doubletime，該基因編碼 DBT 蛋白。DBT 蛋白可以延緩 per 蛋白的積累，從而進一步對生物鐘進行調控。

至此，生物節律的分子機制基本得到闡明。

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看了上面的，咱們不是搞這一行的怕是會來一句：不明覺厲啊！那咱們就來詳細地了解一下晝夜節律是個什麼東西？

晝夜節律（英語：Circadian rhythm ），又譯日夜節律、概日節律、日變周期等，指一種生理現象，以自發的、持續的，呈現以約 24 小時為周期的變動。包括植物、動物、真菌等，都被觀察到有類似生理變化。（from wikipedia）

圖為人晝夜節律的一些特徵

小編覺得咱們平時遇到的倒時差就屬於晝夜節律被打破再調整的範疇；另外還比如咱們所熟知的向日葵朝向太陽，其實並非每天太陽先出來，然後向日葵轉向，而是向日葵先朝向，隨後太陽才出來。還有就是含羞草，1729 年，法國一個哥們（ Jacques Ortousde Mairan ）在觀察含羞草的葉子和花變化時發現，將含羞草放置在全暗一段時間，葉片仍然有張有合，不依賴陽光，只是他當時沒有提出生物晝夜節律的存在。

那麼，晝夜節律的分子機制究竟如何呢？

首先，period 基因編碼的 per 蛋白在夜間累積，在白天降解，即 per 蛋白水平在 24 小時周期內與晝夜節律同步震蕩，故而 per 蛋白應與晝夜節律有關。準確地說，是 per 蛋白對 Clock 蛋白和 Cycle 蛋白複合體有抑制作用，繼而調控了 Clock 基因和 Cycle 基因的下游基因的轉錄，而這些基因進一步控制了生物節律。

隨後， per 蛋白與 period 基因之間存在一個反饋調控機制。per 蛋白可以阻斷其自身的合成，從而在一個連續的循環式節律過程中自己調節自己的濃度。當節律基因 period 活躍時，對應的mRNA 被生產出來。mRNA 被轉移到細胞質中，並作為模板生產 per 蛋白。per 蛋白隨後在細胞核中累積，period 基因活性受到抑制。這導致了抑制反饋機制，它是晝夜節律的基礎。

繼而，per 蛋白的轉運機制被發現，晝夜節律的抑制反饋迴路得以閉合成環。這得益於一個控制生物鐘的基因 timeless 被發現。timeless 基因負責編碼 TIM 蛋白，而 TIM 蛋白是正常晝夜節律所需的，當 TIM 蛋白與 per 蛋白結合在一起之後，該複合體就可以進入到細胞核中，進而阻斷 period 基因的活性。

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大家了解了什麼是晝夜節律，肯定會問：這個東西對人的影響有那麼大嗎？居然平時我們能觀察到的現象都可以獲得諾貝爾獎？

其實呢，現在科學領域對這方面的研究還在基礎研究階段，這三位獲獎的科學家已經在分子機制中取得了一定的進展，但是真正轉化到咱們老百姓日常生活中的科技成果目前還沒有呢。事實上，就拿人的晝夜節律來講，現在社會全球化程度日漸成熟，人們對於調節時差有較大的需求，各種值班導致很多上班族需要倒時差，同時老年人睡眠問題相當部分是生物鐘異常所致，所以調節時差對於提高工作效率和改善生物質量都很重要。咱們老百姓就耐心的等待這個領域科學家的努力吧，在不久的將來肯定會研究透徹這個領域，為咱們的睡眠問題提供更多的干預，讓咱們睡好，工作好。這不僅僅是對於咱們人類，還有對植物、動物以及昆蟲等等生物晝夜節律的研究，這將會是一個非常有前景的研究領域。

最後小編要告訴大家：不要熬夜，不要熬夜，不要熬夜，免得破壞了你的生物鐘哦。

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