PLOS ONE：當數學與生物相遇——12小時生物鐘被揭曉

DOI：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198503

12小時生物鐘

「晝夜節律是由環境光線和黑暗驅動的24小時周期後的生理、心理和行為變化。最直觀的生理周期之一就是晚上睡覺，白天醒來，」通訊作者、貝勒醫學院分子和細胞生物學教授Clifford Dacso博士說， 「這些生物節律反映了分子水平上複雜的相互作用，而這些相互作用發生在介導基因表達為細胞中攜帶功能的活性蛋白的途徑中。」

然而，有證據表明，除了24小時節律之外，還存在其他生物周期。例如，血壓、體溫、認知能力、一些循環激素、對壓力的反應和對藥物治療的反應似乎遵循12小時的節奏，但科學家們對其生物學基礎知之甚少。因此，Dacso和他的同事試圖尋找答案。

Dacso決定需要採用一種不同於過往研究使用的、不偏不倚的數學方法。他聯繫了萊斯大學電氣和計算機工程系的同事，他們把他介紹給了Athanasios Antoulas博士，後者是這項研究的第一作者，也是該系教授、德國馬克斯?普朗克學會的研究員。

數學家和工程師Antoulas擅長處理電子波等數字信號，他開發了一種叫做矩陣束法（Matrix Pencil Method）的新數學工具，該方法允許他從非常嘈雜的數字數據中發現頻率。

Antoulas解釋道，「其他數學方法通過詢問數據中是否存在特定的波形來處理這類問題，這些方法偏向於尋找一種特定類型的波；而我們的方法提出了一個不偏不倚的問題：數據中存在什麼類型的波(如果有的話)？」

圖片來源：nenetus / Fotolia

當數學和生物學相遇

研究人員利用Antoulas分析電子數字信號的方法來分析一種生物現象，特別是每小時收集的36小時的基因表達數據。他們共分析了超過18，000個涉及多種細胞過程的小鼠肝臟基因，包括新陳代謝、細胞應激、細胞周期和細胞呼吸。

「我們的方法揭示了每個基因收集的數據集中所呈現的基本循環，」Antoulas說，「我們確認了24小時晝夜節律周期，並發現了基因的表達隨著時間的推移遵循一個12小時的周期，這在使用其他計算方法時並不明顯。」

Dacso指出，他們仔細研究了12小時和24小時的周期。矩陣束法揭示了這些周期是獨立的，且已經被實驗證實；敲除24小時周期後的基因不會影響12小時基因的表達模式。

Dacso說:「通過觀察基因隨時間變化的功能，我們發現了一些基本的細胞功能，如炎症、應激反應、蛋白質質量控制和能量供應都遵循一定的周期，這一發現對於重新定義由基因控制的人類健康的各個方面有著巨大的意義。」

擾亂24小時的生物鐘可能會導致新陳代謝疾病。例如，實驗證據顯示，倒班的工人或出國旅行的人經常會改變睡眠周期，這似乎會導致他們體重增加、糖尿病和其他可能致病的新陳代謝變化。因此，打亂晝夜規律並不是什麼好事兒，而對於新發現的12小時生物鐘，研究人員預計，擾亂它可能也會影響健康和疾病。

責編：浮蘇

參考資料：

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