生物鐘的秘密——2017年諾貝爾生理學或醫學獎簡介

李禹正 張 婷 王曉民,3*

(1.首都醫科大學長學制臨床醫學專業， 北京 100069；2.首都醫科大學基礎醫學院神經生物學系， 北京 100069；3 北京腦重大疾病研究院， 北京 100069)

·諾貝爾獎·

生物鐘的秘密——2017年諾貝爾生理學或醫學獎簡介

李禹正1張 婷2王曉民2,3*

(1.首都醫科大學長學制臨床醫學專業， 北京 100069；2.首都醫科大學基礎醫學院神經生物學系， 北京 100069；3 北京腦重大疾病研究院， 北京 100069)

北京時間2017年10月2日，瑞典卡羅琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣布，將2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家Jeffrey C. Hall，Michael Rosbash以及Michael W. Young，以表彰他們在“生物節律的分子機制”方面的發現。

2017諾貝爾生理學或醫學獎；生物鐘；晝夜節律

地球上的所有生命都需要適應地球的自轉。所有的生命體，包括人類，都有一個體內的“時鐘”，使我們能夠適應晝夜變換，調節生命活動。但這個生物鐘到底是如何工作的？Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和 Michael W. Young三人對生物鐘的分子機制進行了研究。他們的研究成果揭示了植物、動物以及人類如何保持自身的生物節律，適應環境變化。

1971年，Seymour Benzer和Ronald Konopka在果蠅體內發現了一種與生物鐘調節相關的基因——period。十年后，Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和 Michael W. Young成功克隆出period基因。但在當時，period調節生物鐘的具體機制仍是一個謎題。經過3位諾貝爾獎得主的不懈努力，隨著與period相互作用的其他基因的發現，科學家們提出了轉錄翻譯負反饋回路(transcription-translation feedback loop, TTFL)的概念，即period以及另一個生物鐘基因-timeless的轉錄會被它們自身翻譯出的蛋白-PER和TIM所抑制。該機制和隨后發現的一些更加復雜的分子機制共同調節著生物鐘的生理功能。

我們體內的生物鐘在一天之中的不同時段對我們的生理功能進行著精準的調節，例如行為、激素水平、睡眠情況、體溫以及新陳代謝等。當我們所處的外部環境與我們體內的生物鐘不匹配時，我們的身體就會馬上反應出不適，比如乘飛機穿越數個時區所導致的“時差”。此外，有跡象表明，當我們的生活方式與生物鐘開始出現偏差時，我們患上各種疾病的風險也會隨之增加。Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和 Michael W. Young三位科學家的發現闡釋了生物節律的重要生理機制，為人類健康及疾病研究提供了重要的依據。

1 獲獎者簡介

1.1JeffreyC.Hall

Jeffrey C. Hall(圖1)，1945年3月3日生于美國紐約布魯克林，遺傳學家。 1971 年獲得西雅圖華盛頓大學遺傳學博士學位，1974年成為Brandeis大學教員。1984年他和Michael Rosbash的研究小組克隆了果蠅的period基因，這個基因能夠調節果蠅的生物鐘。他們還揭示出該基因所編碼的mRNA和蛋白質含量隨晝夜節律而變化。Hall于2001年入選人文與科學院院士，2003年入選美國國家科學院院士并獲美國遺傳學會勛章。因為在period基因研究方面的杰出貢獻，他于 2009年獲格魯伯神經科學獎，2011年獲路易莎·格羅斯·霍維茨獎，2012年獲蓋爾德納國際獎，2013年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。

圖1 Jeffrey C. Hall

1.2MichaelRosbash

Michael Rosbash(圖2)，1944年3月7日生于美國密蘇里州堪薩斯，遺傳學家。Rosbash是Brandeis大學教授和Howard Hughes醫學研究所的研究員。1984年他和Jeffrey C. Hall的研究小組克隆了果蠅的period基因，1990年提出了生物鐘的轉錄翻譯負反饋回路的概念。他們在果蠅體內發現了period基因、cycle基因和clock基因等。2003 年入選美國國家科學院院士。2013年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。

圖2 Michael Rosbash

1.3MichaelW.Young

Michael W. Young(圖3)，1949年生于美國佛羅里達州邁阿密，遺傳學家、美國國家科學院院士。1975年獲得Texas大學Austin分校博士學位，1978年起任Rockefeller大學教員，后成為該校副校長。2013 年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。1984年他的團隊克隆出果蠅的period基因。Young之后的研究還揭示了更多生物鐘相關基因以及它們的作用機制。

圖3 Michael W. Young

2 主要科學貢獻[1]

雖不能草率地說是全部生物，但的確大多數的生物都可以預測并適應日常環境的變化。早在18世紀，法國天文學家 Jean-Jacques d’Ortous de Mairan以含羞草屬植物為研究對象，發現不管陽光是否存在，葉子都會維持它們正常的晝夜節律(圖4)。這個實驗也被認為是生物具有內源生物節律的最早證據。

隨后，陸續有其他研究人員發現，不僅植物有這種“內部時鐘”，其他動物包括人類都存在這一現象，而這個“時鐘”其實有助于我們為日常活動做好準備。這種規律性的適應就被稱為“晝夜節律”(circadian rhythm)，源自拉丁文詞匯“circa”(意為“環繞”)以及dies(意為“一天”)。生物鐘的背后又有著怎樣的生物機制呢？對其分子機制的研究吸引著一代又一代優秀的科學家。

圖4 含羞草的生物鐘現象

含羞草葉子會在太陽光下張開，夜晚則會閉合。Jean-Jacques d’Ortous de Mairan通過實驗證實,在持續黑暗條件下,含羞草葉片的開合現象依然保持著與晝夜周期同樣的節律性。這表明含羞草屬植物有一個自主的“鐘表”可以保持一定的生物節律。

1)period基因的發現與克隆

20世紀70年代，Seymour Benzer博士和他的學生Ronald Konopka證明了某種未知的基因突變擾亂了果蠅的晝夜節律，他們命名這個基因為period[2]，他們利用經典的化學致突變作用誘導基因突變，進而觀察果蠅的表型，試圖找出晝夜節律發生改變的突變種。經過不懈努力，他們分離出3種品系的果蠅：無節律型、短節律型(19 h)和長節律型(28 h)。他們進一步的基因圖譜研究和雜交試驗使他們確定了這3個突變種均為同一基因的不同突變，后來該基因被命名為period基因。20世紀80年代，Rockefeller大學的Young和Brandeis大學的Hall與Rosbash同時在進行著果蠅period基因的克隆。1984年Young和Rosbash兩個團隊幾乎同時拿到period基因附近的基因組DNA[3-4]。該段基因可產生4.5kb和0.9kb兩種長度的mRNA。他們隨后發現4.5kb mRNA水平具有晝夜變化，其對應基因為period基因[5-6]。克隆出基因固然是巨大的成功，但這僅僅意味著研究生物節律這項工作才剛剛開始。正如同我們早已完成人類基因組測序，而實現從基因水平來研究疑難雜癥的發病機制并徹底攻克他們，仍有很長的一段路要走。基因只是工具，真正核心的部分是分子機制，仍有待闡明。

2)period基因負反饋調節環路的發現

一些研究者相繼提出幾個模型都未能完美地解釋period基因調節生物鐘的分子機制。在成功合成PER蛋白的抗體后，研究者們終于逐漸揭開了PER蛋白作用機制的神秘面紗。1988年，Rosbash小組發現period基因編碼的蛋白質PER在夜間積累，白天則被降解。即PER蛋白的水平在24 h周期內循環震蕩，而這一循環周期恰恰與晝夜節律同步[7]。1990年，Rosbash小組的博士后Paul Hardin通過檢測果蠅腦內的mRNA發現period基因的mRNA也呈現晝夜變化[8]。有趣的是，periodmRNA水平的峰值出現的時間要比PER蛋白水平的峰值出現時間早幾個小時[8]。Period的無意義突變使periodmRNA水平的震蕩無法產生，而PER蛋白可以挽救周期性mRNA水平[8]。他們隨即提出了一個簡單模型解釋這一現象：period基因轉錄、翻譯產生PER蛋白質的過程存在著負反饋調節，即PER表達過程中產生的mRNA和蛋白質會影響PER基因自身的轉錄過程，這樣就可以形成一個連續的循環周期。換句話說，PER 蛋白進入細胞核結合到period基因上與之發揮相互作用進而抑制period基因的進一步轉錄表達，即PER 蛋白可以抑制基因合成自己，這樣就可以形成一個持續循環。這個模型以一種簡單并且在生物體中普遍存在的機制近乎完美地解釋了PER蛋白的晝夜波動。但只有在PER蛋白有能力從細胞質進入細胞核這一大前提的存在下，PER才能抑制period基因。Hall和Rosbash的研究能夠證明PER蛋白在夜間會在細胞核中積累，但未能成功解釋其進入細胞核的分子機制。

1994 年，Michael W. Young發現了第2個晝夜節律基因：timeless[9]。timeless可以編碼 TIM蛋白，同樣為正常節律所需。Young通過實驗完美地解釋了PER進入細胞核的分子機制[10]，他發現 TIM蛋白含量同樣具有晝夜波動性，TIM會結合到 PER 上，該復合物可以進入細胞核，從而抑制period基因的活性。這些發現使我們進一步證實了period負反饋調節環路的存在及其在生物鐘對機體作用過程中所扮演的重要角色。隨著clock基因和cycle基因的發現，period和timeless基因的激活機制得到了解釋[11]。這兩個基因產生的蛋白質CLK和CYC相互結合作為轉錄因子共同作用于period和timeless基因，激活基因表達PER和TIM蛋白。隨后有研究表明，TIM和PER蛋白可以抑制CLK的活性。至此，period基因表達的負反饋調節環路得到了圓滿的闡釋(圖5A)。

這3位諾貝爾獎得主的研究闡述了生物鐘的基本理論基礎。在隨后的幾年里，其他一些分子也被發現，進一步解釋了生物鐘的機制和穩定性。Young發現的另外一個生物鐘基因——doubletime[12]，它編碼的DBT 蛋白是一種蛋白激酶，可以通過調節PER蛋白的降解進而延遲 PER蛋白的積累，解釋了為什么PER蛋白的震蕩的周期會穩定在 24 h左右。20世紀90年代末，Hall實驗室發現chryptochrome(cry) 基因通過對光的調節參與果蠅生物鐘的控制[13-15]。光可以激活該基因的產物CRY蛋白并通過促進CRY蛋白與TIM蛋白的結合調節TIM蛋白在蛋白酶體中的降解過程。在日照充足的白天，TIM被降解，導致PER易發生由DBT介導的磷酸化進而也發生降解(圖5B)。

圖5 period基因負反饋調節環路[1]

A：period基因表達的mRNA和PER蛋白含量都會發生震蕩。PER蛋白在細胞核內通過負反饋調節環路抑制period基因的表達。B：許多生物鐘蛋白都可以調節period基因的表達。由timeless基因編碼的TIM蛋白含量也存在一個震蕩周期并且會與period基因發揮作用,TIM蛋白與PER蛋白結合相互作用對PER蛋白能否進入細胞核通過負反饋環路調節period基因的表達至關重要。由doubletime基因編碼的DBT蛋白是一種可以磷酸化PER蛋白的蛋白激酶，PER蛋白的磷酸化可導致其降解失活。由DBT蛋白調節的PER蛋白的降解最終導致了period表達的mRNA和PER蛋白聚集的時間差。由clock基因編碼的CLK和由cycle基因編碼的CYK是兩個可以激活period表達的轉錄因子。

3)科學意義

生物鐘涉及人體生理活動的方方面面。我們已知的所有多細胞生物，包括人類，都使用一個相似的機制來調節生理節律，例如，生物鐘可以調節睡眠模式、進食行為、激素釋放、血壓和體溫等(圖6)。生物鐘能調節我們大部分的基因，并最終使我們的生理活動得以適應一天中的不同時段。不僅如此，生物鐘基因在外周組織中也發揮重要作用。動物模型中敲除生物鐘基因會導致如皮質醇和胰島素等釋放異常[16]；生物鐘基因通過影響糖異生、胰島素敏感性以及全身血糖水平來調節機體代謝[17]；生物鐘異常導致睡眠障礙會引起抑郁、認知和記憶障礙等神經系統疾病[18]；如果內源性生物鐘異常導致生活方式與生物鐘長期錯位會增加癌癥、神經退變性疾病、代謝性疾病以及炎性反應的發病風險[19]。人們正在努力尋找調節生物鐘的手段以改善人類健康。

圖6 生物鐘參與人體生理節律方方面面的調節[1]

生物鐘可以調節睡眠模式、進食行為、激素釋放、血壓和體溫。我們體內大部分基因的表達都由生物鐘進行調控。

動植物的變化只是生物鐘的外在表現，而其核心則是復雜的分子機制。我們可以很容易地通過鐘表得知時間，但想要了解其內部構造，時針分針的運動機制卻是需要一番研究。對生物鐘的分子機制研究就好比研究鐘表復雜的機芯。就目前來看，對生物晝夜節律的研究仍有很長的路要走。

[1] Scientific Background ：Discoveries of Molecular Mechanisms Controlling the Circadian Rhythm[EB/OL] .(2017-10-02)[2017-10-11]https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/advanced.html

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Discoveriesofmolecularmechanismscontrollingthecircadianrhythm—the2017NobelPrizeinPhysiologyorMedicine

Li Yuzheng1, Zhang Ting2, Wang Xiaomin2,3*

(1.ClinicalMedicalSciences,CapitalMedicalUniversity,Beijing100069,China；2.DepartmentofNeurobiology,BasicMedicalSciences,CapitalMedicalUniversity,Beijing100069,China；3BeijingInstituteforBrainDisorders,Beijing100069,China)

In October 2, 2017, the Nobel Assembly at Karolinska Institute has decided to award the 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine jointly to Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash and Michael W. Young for their discoveries of molecular mechanisms controlling the circadian rhythm.

the 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine；biological clock；circadian rhythm

*Corresponding authors， E-mail：xmwang@ccmu.edu.cn

時間： 2017-10-14 16∶19

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3662.R.20171014.1619.038.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.05.026]

2017-10-11)

編輯 陳瑞芳