以高中生物學(xué)知識為背景解讀2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎

吳勁松

(江蘇省高淳高級中學(xué) 南京 213000)

關(guān)鍵字 生物鐘 諾貝爾獎 高中生物學(xué)

2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給美國三位科學(xué)家Jeffrey C Hall(杰弗理·霍爾)、Michael Rosbash(邁克爾·羅斯巴希)和Michael W Young(邁克爾·楊)，以表彰他們在“發(fā)現(xiàn)控制晝夜節(jié)律的分子機制”方面的研究。生物鐘是生物體內(nèi)周而復(fù)始的節(jié)律，如植物的春華秋實、動物的晝行夜伏……常見的近24h晝夜節(jié)律是典型的生物鐘之一。

1 生物鐘的研究

1.1 開啟生物鐘研究的大門 1971年，Seymour Benzer和Ronald Konopka利用果蠅突變體研究生物鐘[1]，他們首先建立檢測表型的方法： 用致變劑誘導(dǎo)果蠅的基因發(fā)生突變，并檢測果蠅活動的變化，發(fā)現(xiàn)確實有晝夜規(guī)律，但工作量比較大。后來，Konopka用果蠅一生一次的羽化這一特征作為篩選方法，發(fā)現(xiàn)篩選到的突變果蠅的運動晝夜節(jié)律異常。三種品系的突變果蠅在表型上不相同： 一種沒有節(jié)律，一種節(jié)律周期加快到19h，一種節(jié)律變慢到28h。然后將該突變種與已有的其他突變種交配，確立三種突變在染色體圖譜的大概位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很近。通過進一步把三種突變相互交配，進行順反檢測，根據(jù)得到的結(jié)果推測三種突變可能是同一個基因的不同突變。于是，把這個基因命名為period(per)。per基因很可能是生物鐘的關(guān)鍵基因之一。但是，20世紀70年代重組DNA技術(shù)剛發(fā)明，由于技術(shù)的缺乏很難得到per基因的DNA序列。

1.2 生物鐘關(guān)鍵基因的克隆 1984年，Michael Young、Jeffrey Hall與Michael Rosbash三個研究果蠅的團隊幾乎同時發(fā)表論文： 克隆出Per基因附近的基因組DNA[2，3]。這段DNA可以產(chǎn)生4.5kb和0.9kb兩種mRNA，并編碼相應(yīng)的蛋白質(zhì)PER，其水平存在24h的周期性起伏，與晝夜節(jié)律相一致。將編碼4.5kb mRNA的基因組DNA轉(zhuǎn)入果蠅，可以使per突變種果蠅的晝夜節(jié)律恢復(fù)正常。進一步發(fā)現(xiàn)，改變導(dǎo)入的per基因表達的相位可改變果蠅晝夜節(jié)律的相位。之后，Baylies還確定了Konopka實驗中per基因在最初三種突變株的DNA變化：per0、pers和perl，分別表示提前終止、兩個不同部位的堿基變化[4]。

1.3 反饋調(diào)節(jié)的生物鐘機制 1990年，Michael Rosbash和Jeffrey Hall實驗室的博士后Paul Hardin終于在果蠅的頭部以每個小時為單位檢測得到per的mRNA，發(fā)現(xiàn)其含量呈晝夜變化；在pers中，其mRNA晝夜周期也縮短[5]。他們提出簡單的模型：per基因轉(zhuǎn)錄mRNA、翻譯產(chǎn)生PER蛋白的過程存在負反饋，per的mRNA或蛋白質(zhì)產(chǎn)生后，可以影響per基因自身的轉(zhuǎn)錄。之后，實驗組制造出PER蛋白的抗體，抗體可以識別PER蛋白以此確定其在細胞內(nèi)的位置。實驗結(jié)果表明： PER蛋白既可以存在于細胞核、也可以存在于細胞質(zhì)[6]。隨后，Michael Young實驗室的Seghal等人通過篩選7000多個突變種找到影響果蠅生物鐘的新基因timeless(Tim)，很快克隆出該基因并猜測TIM蛋白是一種轉(zhuǎn)錄因子[7]。1996年，Rosbash實驗室發(fā)現(xiàn)TIM蛋白影響PER蛋白出入細胞核，TIM與PER兩個蛋白質(zhì)可以形成復(fù)合物抑制per基因的轉(zhuǎn)錄，且該復(fù)合物的存在與消失呈晝夜節(jié)律，其原因是光可以調(diào)節(jié)TIM蛋白的穩(wěn)定性，從而提供了光對生物鐘的調(diào)節(jié)的分子機理(圖1)[8]。

圖1 晝夜節(jié)律生物鐘的分子機理圖

1.4 哺乳動物的生物鐘基因 1994年，Joseph S Takahashi實驗室研究了304只小鼠，他們從突變體(第25只小鼠)發(fā)現(xiàn)了影響小鼠生物鐘的基因，將其命名為“clock”[8]。正常小鼠生物鐘的周期是23.7h，clock雜合的突變鼠晝夜節(jié)律為24.8h。變化可謂微妙，需要可靠的檢測才能發(fā)現(xiàn)。從雜合體檢測出微小但可靠的變化后，Joseph實驗室通過小鼠交配而獲得clock基因突變的純合體，其表型很強，完全喪失節(jié)律[9]。

經(jīng)過幾十年的研究，科學(xué)家現(xiàn)在對動物中以24h為周期的生物鐘的構(gòu)成和機理已經(jīng)有了基本了解。動物生物鐘的循環(huán)基本上是一個基因表達的負反饋環(huán)路，即迄今為止被公認的“轉(zhuǎn)錄—翻譯負反饋環(huán)”(transcription-translation feedback loop, TTFL)。

2 人體生物鐘與健康

所有的生物性狀都是自然對生物適應(yīng)環(huán)境的變化而選擇的結(jié)果。有利于生存和繁殖的性狀就在生物演化的過程中被自然選擇保留了下來。生物鐘讓一個生物個體預(yù)見到食物的定時出現(xiàn)而提前準備并及時到場，生物鐘也使生物預(yù)見不利于生理活動的事件，如對高溫和寒冷的定時出現(xiàn)而提前規(guī)避。能掌握環(huán)境變化規(guī)律并預(yù)見環(huán)境變化的物種顯然有生存和繁殖的優(yōu)勢，因此被自然所選擇。生物鐘的元件和機理就這樣在長期的生物演化過程中被自然選擇保留了下來，成了普遍的生物現(xiàn)象。

人的生物鐘就是人體內(nèi)隨時間作周期變化的生理生化過程，以及形態(tài)結(jié)構(gòu)和行為變化等現(xiàn)象。人體的各種生理指標，如脈搏、體溫、血壓、體力、情緒、智力等，都會隨著晝夜交替產(chǎn)生周期性變化。例如，體溫早上4時最低，下午6時最高，相差約1℃。科學(xué)家經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)對人體許多生理生化活動的晝夜節(jié)律現(xiàn)象有了比較清楚的了解(圖2)。

0～12點

12～24點

生物鐘的正常工作對人體健康起著重要作用。生物鐘失調(diào)會導(dǎo)致失眠、體乏、抑郁、免疫功能低下，甚至產(chǎn)生包括腫瘤在內(nèi)的各種疾病。根據(jù)人體生理生化活動的周期性變化，可以合理安排一天的活動，從而使工作和休息效率達到最高，也使得人的身心健康狀態(tài)達到最佳。

3 生物鐘與高中生物學(xué)教學(xué)的聯(lián)系

3.1 基因的表達 高中生物學(xué)必修2“遺傳與進化”模塊中，基因的表達一章是重點內(nèi)容，描述的是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段(基因)如何攜帶遺傳信息傳遞到細胞質(zhì)，然后轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。教師在“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”新授課中，可以引導(dǎo)學(xué)生回憶并思考果蠅在遺傳學(xué)上的經(jīng)典實驗，并結(jié)合圖1中per基因指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)PER的示意圖提出問題串： ①什么是基因？基因位于哪里？②基因能直接合成蛋白質(zhì)嗎？為什么？③mRNA是什么？如何形成？通過結(jié)合圖形循序漸進讓學(xué)生了解并掌握轉(zhuǎn)錄的過程。

3.2 反饋調(diào)節(jié) 高中生物學(xué)必修3“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中，對反饋調(diào)節(jié)的描述為： 在一個系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身的工作效果,反過來又作為信息調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的工作，這種調(diào)節(jié)方式叫做(負)反饋調(diào)節(jié)。本概念抽象、理解難度較大。教師在授課時往往采用舉例(如冰箱制冷)的形式來讓學(xué)生理解概念，但是效果甚微。建議授課老師可以展示出生物鐘的分子調(diào)節(jié)模式圖，結(jié)合必修2的“轉(zhuǎn)錄”與“翻譯”知識點，讓學(xué)生自己嘗試說出per基因如何周期性控制蛋白PER的合成。最后，教師結(jié)合圖解解釋“負反饋”的概念，這樣可能事半功倍。

3.3 試題命制 各省歷年高考生物學(xué)試題均會與當(dāng)年的最新科研或諾貝爾獎有關(guān)研究相聯(lián)系。例如，2016年江蘇卷第18題考查CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，第30題考查青蒿素對瘧疾患者群體基因型的影響，2017年江蘇卷第28題考察葡萄糖轉(zhuǎn)運載體(GLUT)與糖尿病的關(guān)系分析等。這要求教師在平時教學(xué)之外，應(yīng)該去關(guān)注生物學(xué)最新的科學(xué)前沿研究，把握最新的科學(xué)動態(tài)。以科研成果為背景命題，不僅考查學(xué)生對高中生物學(xué)基礎(chǔ)知識的把握，還能提高學(xué)生對生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。