生物鐘：生命對環境的適應

最新 01-30

生物日節律，也稱生物鐘，是生物體內一種以晝夜(約24小時)為周期的節律性生理生化活動，它是生物中普遍存在的基本生命現象。揭示生物鐘的分子構成和運行機理,對了解生命的本質、生命的演化、生命的活動和生命與環境的互動具有重大理論意義，對指導人類健康和生產活動也有重要的應用價值。

作者：俞強

2017年10月2日，三位美國科學家霍爾（J. C. Hall），羅斯巴希（M. Rosbash）和揚（M. W. Young）因為他們在發現調節生物日節律行為的基因和闡明其作用原理方面做出的重要貢獻，榮獲2017年的生理學或醫學獎。生物日節律（circadian rhythm）是指大約周期為一天的節律性生命現象，也稱晝夜節律或生物鐘。生物鐘是自然界普遍存在的一種生命現象，揭示其中的原理對了解生命和生命活動具有重大的理論意義。

生物鐘研究領域的奠基者是美國加州理工學院的本澤（S. Benzer）（1921—2007）和他的學生科諾普卡（R. Konopka）（1947—2015）。本澤是最早開展果蠅行為遺傳學研究的科學家，是該領域的重要開創者，也是霍爾的博士後導師，他和科諾普卡最早用果蠅做模型研究生物鐘行為，並從果蠅中發現生物鐘突變體和生物鐘基因。此次獲獎的三位科學家早期的工作都不是研究果蠅的生物鐘，他們都是在本澤和科諾普卡發現果蠅第一個生物鐘基因以後，才開始進行生物鐘基因克隆和機理的研究。

霍爾和羅斯巴希都是美國布蘭迪斯大學（Brandeis University）的教授，倆人的實驗室相鄰，果蠅生物鐘基因的克隆和研究工作是他們共同合作的成果。霍爾是一位遺傳學家，終生研究果蠅的行為遺傳學。除生物節律，霍爾更多的研究是關於果蠅的交配行為，他是果蠅行為生物學研究領域的開拓者之一。霍爾在生物鐘研究方面的主要貢獻是與羅斯巴希合作，克隆出第一個生物鐘基因period（PER），發現了不同細胞的生物鐘之間的協調同步，揭示了cryptochrome（CRY）、CLOCK（CLK）和 Cycle（CYC）蛋白的功能和機理，完善了日節律分子機理的轉錄和翻譯負反饋調控（transcription and translation negative feedback，TTFL）模型[1-4]。

羅斯巴希是一位分子生物學家，除在生物節律研究領域做出了重要成績，同時也在酵母的RNA剪切機制研究方面有傑出的貢獻。他對生物鐘研究的主要貢獻除了與霍爾合作克隆了第一個生物鐘基因PER，還克隆了果蠅另外兩個生物鐘基因：CLOCK（CLK）、Cycle（CYC），並闡明了它們的功能和機理。他還揭示CRY蛋白作為生物鐘的光受體功能，發現果蠅LNv神經元是果蠅生物鐘的起搏器。更重要的是，他發現了PER基因表達水平的周期性變化規律，從而提出著名的日節律分子機理的轉錄和翻譯負反饋調控（TTFL）模型[1-5]。

揚是美國洛克菲勒大學的教授，早年從事果蠅轉座子機制的研究，在果蠅的日節律基因發現後，轉而開展日節律基因的克隆和機理研究至今。他的主要貢獻是與霍爾和羅斯巴希在同一時期獨立克隆出PER基因，後又克隆出另一個生物鐘基因Timeless（TIM），發現了TIM和PER的相互作用及功能，以及光對TIM的調控和對生物鐘相位的調控。另一重要貢獻是發現PER蛋白的磷酸化調控和磷酸化PER的激酶Doubletime （casein kinase 1）[6-8]。

生物鐘及其形成原因

地球鍾地球最明顯的律動就是圍繞太陽的公轉和圍繞自己軸心的自轉。

生物節律是指不同生物體內各種隨時間變化而呈周期性變化的生理生化活動，如人心臟的跳動、肺的呼吸，昆蟲翅膀的扇動等。而平常所說的生物鐘是指地球上的生命隨地球相對太陽周期性自轉運動而產生的、以一天24小時為周期的各種周期性變化的生理生化活動，如植物的光合作用，各種動物的攝食和睡眠活動，以及人的血壓、體溫、體力、情緒等生理心理指標的律動等。

從生物演化和自然選擇角度看，地球上所有生命現象都是大自然對生物適應環境的演化選擇的結果。從生命誕生開始，即使最簡單的生物分子之間的生物化學反應，也受到地球上已存在的各種物質和環境因素的影響，其中之一就是受到地球周期性律動的影響。因此，所有生物節律都是環境對生物演化的選擇的結果。

這種地球相對太陽的旋轉律動無時無刻不在影響和控制著地球生物的一切運動。太陽是地球上所有生命的能量來源，生命的運動不能不順從於太陽能源的周期性律動而隨之律動。只有當生命的節奏與自然環境，特別是能量供應的節奏吻合時，生命才能夠更好地生存，才能在生物演化過程中被自然選擇而生存下來。最常見的生物日節律就是植物的光合作用和動物的晝夜活動。植物是地球上較早期出現的生命形式，處於食物鏈的最底層，它們需要在白天通過光合作用從太陽攝取能量，在夜晚通過呼吸作用釋放能量以維持生命的運行。食物鏈實際上是一個能量的傳遞鏈，其源頭所吸收的是太陽的能量。太陽光在地球上的律動導致地球上食物鏈各環節的律動，因此，最普遍和常見的生物鐘就是以晝夜24小時為周期的生物鐘。由於太陽光一方面給生物提供能量，另一方面也對生物的大分子如DNA有損傷作用，因此生物也演化出為保護DNA而躲避強光的生物鐘行為，如動物為避免中午太陽的高溫而在早晨和傍晚來覓食的生物鐘行為。類似地，食物鏈的上下游物種之間也演化出按時捕食和躲避被捕食的生物鐘行為。生物鐘協調著各種生物活動的時間，安排著它們的作息時間，以達到趨利避害的目的。

生物鐘的研究歷史

生物鐘的研究可分為三個階段：生物鐘現象的描述和特徵研究，生物鐘在動物體內的定位研究，生物鐘基因的發現及其機理研究。

古代有很多關於植物節奏性活動的記載。首先用科學方法來研究生物節奏的是18世紀的法國天文學家邁朗（Jean-Jacques d』Ortous de Mairan）。他在研究地球運轉時，注意到含羞草葉子開合的晝夜變化，結果發現含羞草的葉在恆定的黑暗中仍保持著以24小時為周期的晝夜變化，成為第一位因記錄內源性的、非光源或其他外因造成的晝夜節律性的振蕩，而發現日節律的人。繼邁朗之後，法國農學家蒙索（Henri-Louis Duhamel du Monceau）發現生物鐘節律不僅不依賴於光，也不依賴於溫度，進一步提示了內源性生物鐘的存在。1832年，瑞士植物學家康多勒（Alphonse de Candolle）發現，植物的葉在恆定條件下的律動周期並不完全與地球的自轉周期相同，有的植物律動周期比24小時長一點，而有一些則短一點，這從另一方面提示生物鐘的節律是獨立於環境的、自主的節律，否則它們的節律周期應該與地球自轉一致。他們的工作都從不同方面提示了可能存在一個自主的、內源性的生物鐘，但這些工作在當時並沒有引起其他科學家的注意。

近代對生物鐘廣泛和深入的研究始於20世紀中期。德國生物學家邦寧（E. Bunning）、阿朔夫（J. W. L. Aschoff）和美國生物學家皮登覺（C. Pittendrigh）被認為是生物鐘（也稱時間生物學）研究領域的創始人。邦寧研究的是植物的葉開合活動的生物鐘行為；阿朔夫研究的是人的體溫、活動等，以及鳥類的一些生物鐘行為；皮登覺研究的是果蠅運動的生物鐘行為。三人所研究的生物系統雖然不同，但都總結出相同的關於生物鐘的幾個基本特徵：生物鐘是內源的、自主的、不依賴於環境變化的生物節律；晝夜節律的生物鐘周期不是精確的24小時，而是接近於24小時；生物鐘具有溫度補償性能，能在不同溫度下保持穩定；光照不是產生節律的原因，但能調節和重置晝夜節律生物鐘的相，並使其同步。

這個時期的生物鐘研究雖然對生物鐘存在的普遍性以及生物鐘的某些基本特徵和規律有了較深入和廣泛的了解，也知道怎樣用光來重置生物鐘的啟動和用化合物來停止生物鐘的運行，但還基本停留在對現象的描述和對機理的猜想階段，對生物鐘的元件和運行機理則一無所知。生物學家還無法從細胞和分子的水平來想像一個生物鐘的構造和生物化學反應的原理和過程。

美國約翰·霍普金斯大學的里克特（C. P. Richter）在1960年代用手術的方法在大鼠大腦各部位做了200多次手術實驗後，最終發現大鼠下丘腦前端是大鼠生物鐘的中心。當他用手術方法損傷下丘腦前端後，發現大鼠的多種生物節律被破壞了，從而指出下丘腦的前端可能是哺乳動物生物鐘的振蕩器所在。後來美國加州大學伯克利分校的朱克（I. Zucker）和他的學生斯蒂芬（F. Stephan）與芝加哥大學的穆爾（R. Moore）對下丘腦做了進一步的精確損傷研究，發現下丘腦前端的視交叉上核是啟動大鼠生物鐘的關鍵元件。當他們人為損傷視交叉上核時，大鼠的內分泌節律和行為節律就喪失了，由此判定視交叉上核可能是大鼠生物鐘的起搏器。

最終對視交叉上核的生物鐘身份的確定是通過兩個關鍵的體外和體內實驗。日本東京大學的井上進一（S. Inouye）和川村宏（H. Kawamura）直接測量了視交叉上核神經細胞在體內和體外的電生理活動，發現視交叉上核神經細胞的電生理活動是以24小時為周期的日節律活動，由此確定了視交叉上核為哺乳動物生物鐘的振蕩器。雖然後來的研究發現體內其他許多細胞和組織也都有它們自己的以24小時為周期的生物鐘，但視交叉上核起到了一種調控和協調周圍組織的生物鐘保持同步運行的作用，從而被稱為「主鍾」。

生物鐘是一種生物適應環境的古老機制，地球上所有的生物都生活在同一個周期為24小時的日光變化環境中，每個生物體都是從單細胞發育而來，因此每個細胞都可能有一個生物鐘。事實似乎也證明如此。果蠅和鼠的生物鐘被發現存在於多種組織中，體外生長30年的小鼠成纖維細胞株中，生物鐘基因的表達仍呈現周期為24小時的節律性變化。從古老的單細胞生物如藍藻，到高等動物如人，各種不同生物的不同細胞中都有生物鐘的存在。不同細胞中的生物鐘各自分管不同的節律性功能，而高等動物腦中的生物鐘，起到了協調整合和介導光的調控的作用。在人等哺乳動物中，下丘腦的視交叉上核就是這樣一個協調周圍組織「子鍾」的「主鍾」。

生物鐘基因的發現和克隆

果蠅生物鐘基因表達的負反饋調控模型動物生物鐘的循環律動基本上是一個基因表達的負反饋環路，或者說是一個基因以振蕩器的節律來表達的過程。在這個過程中有兩個調控基因轉錄的異二聚體蛋白起著關鍵作用：一個是直接作用於DNA促進轉錄的轉錄因子CLK和CYC的二聚體CLK-CYC，另一個是抑制CLK-CYC轉錄功能的PER和TIM的二聚體PER-TIM。CLK-CYC的功能是促進一系列包括PER-TIM在內的與生物鐘行為相關的基因的表達。這些基因的啟動子部位都有一段稱為E盒元件的DNA序列，CLK-CYC作用於E盒序列，啟動這些基因的表達。表達後的PER和TIM蛋白先在細胞質中逐漸累積，到了晚上當兩種蛋白累積達到一定量後，又被轉運到細胞核中，轉而抑制CLK-CYC的轉錄活性，從而抑制它們自己以及所有CLK-CYC下游基因的表達，減少被表達的量。而在細胞質中的PER蛋白被逐漸水解，構成一個以24小時為周期的轉錄和翻譯負反饋調節的振蕩模式。

人體生物鐘

本澤和科諾普卡1971年首先用化合物誘導了果蠅DNA的突變，然後從發生基因突變的子代果蠅中篩選出生物鐘行為發生改變的果蠅突變種。這些變種果蠅有的是完全失去了日節律的變種，稱「無周期突變」；有的雖仍保持規律性運動，但日節律周期變得長短不一，比24小時長的稱「長周期突變」，比24小時短的稱「短周期突變」，而且這些突變的性狀是能夠遺傳的。這些遺傳學實驗揭示了生物鐘基因的存在，首次證明果蠅的生物鐘行為是由基因調控的。他們將發現的生物鐘基因命名為「周期基因」（period/PER），並在果蠅的染色體上確定了PER基因的位置，這是第一個被發現的生物鐘基因。

本澤和科諾普卡關於果蠅生物鐘突變種的研究工作引起了霍爾和羅斯巴希的注意，他們決定合作起來克隆果蠅的生物鐘基因。經過兩年多的努力，終於在1984年從果蠅中克隆到第一個生物鐘基因——period/PER 基因。與此同時，揚的實驗室也獨立克隆到PER基因。生物鐘基因的克隆直接證明基因是生物鐘行為的決定因素。

當時兩個研究團隊獲得的PER基因的DNA編碼兩個mRNA，一個是0.9 kb（千鹼基對），一個是 4.5 kb。霍爾和羅斯巴希團隊發現0.9 kb mRNA的表達水平呈晝夜周期性變化，且不含4.5 kb mRNA啟動子的DNA片段仍能保有PER基因的功能，因此認為0.9 kb mRNA是PER基因的產物；而揚則認為4.5 kb mRNA對應的基因是PER基因。他們通過對PER基因突變位點的鑒定，以及深入的轉基因工作，確認4.5 kb mRNA是PER基因的產物，並確定PER基因的三個突變（pers，perL，per）分別導致PER基因終止碼和兩個不同鹼基的點突變[1,6,9]。

基因確定之後，基因產物表達的時間和位置對解析基因的功能和機理就至關重要了。又經過5年研究，羅斯巴希團隊確定PER蛋白是核蛋白，存在於細胞核中，同時又發現PER mRNA的表達呈晝夜周期性變化，從而提出一個基因轉錄和翻譯負反饋調控（TTFL）模型[2,3]。

繼PER基因之後，另幾個生物鐘元件基因CLK、CYC、TIM、CRY、DOU、VRI、PDP1、CWO等也相繼被克隆。1994 年，當時在美國西北大學的高橋（J. Takahashi）發現小鼠的生物鐘基因CLK（CLOCK），並於1997年克隆出CLK基因，成為發現哺乳動物生物鐘基因的第一人。從此，生物鐘的研究發生了根本性的改變，進入到從細胞和分子水平上解析生物鐘元件並闡明其作用機理。

經過30年的研究，現在對動物中以24小時為周期的生物鐘的構成和機理已有基本了解。以24小時為周期的節律具有一種特性：起始點可被光照重新設置，重置過程也是一個由蛋白質介導的生物化學過程。果蠅中這個有重置功能的蛋白質稱為 cryptochrome（CRY）。CRY蛋白有感光功能，它與TIM的相互作用是依賴光的，且相互作用的結果導致TIM降解，而失去TIM的PER蛋白不穩定，最終也在有光照的白天被降解，其結果就是減少了對CLK-CYC二聚體功能的抑制，使得CLK-CYC介導的基因轉錄重新開始。

生物鐘的普遍存在提示它在生物演化中是一個古老的現象。果蠅的生物鐘基因與哺乳動物的相似，但與植物和單細胞生物的生物鐘基因不同。這種生物鐘基因的非相似性提示生命的起源可能是多元平行的。雖然生物鐘基因多種多樣，但它們的工作原理都是相似的，都是基因表達的負反饋調節，具有生物振蕩器的特性，是所有生物共有的。

人體生物鐘和健康的關係

人體生物鐘是人體內隨時間做周期變化的生理生化過程、形態結構以及行為等現象。人體生物鐘多種多樣，各種生理指標，如脈搏、體溫、血壓、體力、情緒、智力等，都會隨著晝夜變化發生周期性變化。例如，體溫早上4時最低，下午6時最高，相差有1℃之多。經多年研究，已對人體許多生理生化活動的晝夜節律有比較清楚的了解。生物鐘的正常工作對人的健康起著重要作用，生物鐘失調會導致失眠、體乏、抑鬱、免疫功能低下，甚至產生包括腫瘤在內的各種疾病。生物鐘基因的突變也會導致生物鐘行為的失常。因此，根據人體生理生化活動的周期性變化，合理安排一天的活動，可以有效提高工作和休息的效率，也可使人的身心健康狀態處於最佳。

生物鐘是大自然里各種自然鐘的一種，是生命物質適應物質世界基本運動規律的一種生命運動形式，是大自然對生物演化的選擇，它賦予生命以預見和應對自然環境變化的能力。了解和順應大自然賦予我們的生物鐘，將使我們的生活更加健康、和諧、愉悅。

Yu Qiang：Research Professor, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203.