眼的生物鐘調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

周 琦，祁玉麟，薛愚愚，葉河江

0引言

生物體內(nèi)存在自主性的近24h為周期的振蕩，即晝夜節(jié)律，控制這一節(jié)律的時(shí)鐘系統(tǒng)稱為生物鐘[1]。越來越多的研究表明維持晝夜節(jié)律的生物鐘與眼部疾病的發(fā)生、發(fā)展和治療密切相關(guān)。一些眼部疾病的發(fā)病機(jī)制和臨床表現(xiàn)具有晝夜變化的特點(diǎn)，生物鐘基因表達(dá)的改變不僅參與了眼部疾病的病理生理過程，還可能是疾病預(yù)防和治療的重要靶點(diǎn)。因此，深入探究生物鐘與眼部疾病的關(guān)系可為眼部疾病的防治提供新的思路。

1生物鐘調(diào)控機(jī)制

哺乳動(dòng)物的生物鐘系統(tǒng)由中央和外周生物鐘共同組成。中央生物鐘位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，是生物節(jié)律的起搏器，SCN內(nèi)中央生物鐘基因晝夜振蕩產(chǎn)生的生物鐘信號(hào)，在晝夜節(jié)律調(diào)控中起主要作用，同時(shí)SCN也受外界光線、飲食、溫度或者藥物等的影響[2]。光線是最重要的授時(shí)因子，外界明暗光線投射于視網(wǎng)膜上，由視網(wǎng)膜內(nèi)在光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞將信息通過視網(wǎng)膜經(jīng)下丘腦束傳遞至SCN，經(jīng)中央生物鐘基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯和反饋調(diào)控形成周期性振蕩，參與調(diào)節(jié)全身晝夜節(jié)律，并通過神經(jīng)和體液信息同步外周生物鐘[3-4]。外周生物鐘幾乎分布于所有組織和器官中，一方面接受SCN中央生物鐘信號(hào)的調(diào)控，另一方面它們自身也具有生物鐘基因的表達(dá)并可進(jìn)行自我調(diào)控。

生物鐘調(diào)控的核心是轉(zhuǎn)錄-翻譯振蕩環(huán)路機(jī)制。哺乳動(dòng)物核心生物鐘基因包括：時(shí)鐘晝夜調(diào)節(jié)器(circadian locomotor output cycles kaput,Clock)、腦和肌肉組織芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的類似蛋白1(brain and muscle ARNT-like protein 1,Bmal1)、周期蛋白(period,Per,包括Per1、Per2和Per3)、隱花色素(cryptochrome,Cry,包括Cry1和Cry2)。一個(gè)反饋回路為：細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Clock和Bmal1結(jié)合形成異源二聚體，進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)結(jié)合到Per和Cry基因上游啟動(dòng)子上的E-box，從而激活Per和Cry等基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)Per和Cry在胞質(zhì)中達(dá)到一定水平可進(jìn)入細(xì)胞核，反饋抑制Clock-Bmal1的轉(zhuǎn)錄活性。另一個(gè)反饋回路中，生物鐘基因視黃酸受體相關(guān)的孤兒受體α(retinoicacid receptor-related orphan receptor A,Rorα)和孤核受體(nuclear receptor subfamily 1,Nr1d1/Rev-erbα)也參與生物鐘調(diào)控。Rora是一種正性調(diào)節(jié)因子，其結(jié)合到Bmal1基因啟動(dòng)子區(qū)域Rora結(jié)合元件RRE(RORA binding element)，從而促進(jìn)Bmal1的轉(zhuǎn)錄，而Rev-erb積累則抑制Bmal1的轉(zhuǎn)錄。隨著Per、Cry和Rev-erb水平的降低，將開始新一輪的轉(zhuǎn)錄激活[5](圖1)。因此，不同反饋回路之間的相互作用使機(jī)體生物鐘形成近24h的節(jié)律性振蕩，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體的生理生化和行為的晝夜節(jié)律。

圖1 生物鐘轉(zhuǎn)錄-翻譯振蕩環(huán)路。

2眼部疾病的晝夜節(jié)律與生物鐘基因

哺乳動(dòng)物的眼球包含一個(gè)完整的生物鐘系統(tǒng)，該系統(tǒng)可調(diào)節(jié)眼球重要的生理功能，如神經(jīng)遞質(zhì)的合成與釋放，以及眼球多種參數(shù)的晝夜節(jié)律變化等[1]。相關(guān)研究已表明，生物鐘基因異常可能會(huì)導(dǎo)致眼部疾病。如Bmal1敲除小鼠在衰老過程中出現(xiàn)角膜炎和白內(nèi)障患病風(fēng)險(xiǎn)增加，以及光感受器數(shù)量顯著減少[6]。Clock突變小鼠出現(xiàn)白內(nèi)障進(jìn)展加快[7]。Per突變小鼠表現(xiàn)為視網(wǎng)膜血管損傷[8]。角膜、鞏膜、虹膜睫狀體、視網(wǎng)膜等組織中生物鐘基因的節(jié)律性振蕩，調(diào)控角膜厚度及上皮修復(fù)、眼壓、脈絡(luò)膜厚度及眼軸長度發(fā)生晝夜節(jié)律性變化。各種原因?qū)е碌纳镧娀虍惓＃瑢⒂绊懷矍蛏砘顒?dòng)的晝夜節(jié)律，并可能導(dǎo)致角膜上皮修復(fù)異常、青光眼、近視等疾病的發(fā)生發(fā)展[9-10]。

2.1角膜上皮修復(fù)角膜不僅是重要的屈光介質(zhì)，還具有屏障功能。各種外傷、內(nèi)眼手術(shù)及角膜手術(shù)均可能損傷角膜屏障，因此角膜上皮修復(fù)已成為臨床關(guān)注的重點(diǎn)。角膜上皮修復(fù)有賴于角膜上皮的節(jié)律性更新以及創(chuàng)傷后炎癥細(xì)胞的募集[11]。角膜上皮細(xì)胞的有絲分裂存在晝夜節(jié)律變化，表現(xiàn)為上午5∶00～9∶00分裂最活躍，且以角膜緣區(qū)的變化最為顯著，這種晝夜變化特點(diǎn)將影響角膜再上皮化[12]。角膜上皮修復(fù)過程包括炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖和遷移，其中炎癥反應(yīng)是創(chuàng)傷后修復(fù)的必經(jīng)過程。角膜上皮損傷后，角膜緣血管發(fā)生急性炎癥反應(yīng)，角膜緣γδT細(xì)胞聚集并分泌IL-17產(chǎn)生趨化信號(hào)，吸引中性粒細(xì)胞迅速向創(chuàng)傷區(qū)聚集以殺滅病原體和清除壞死組織[13]。中性粒細(xì)胞表達(dá)生物鐘基因，其募集受晝夜節(jié)律調(diào)控，在黑暗中達(dá)到高峰[14]。因此維持角膜上皮細(xì)胞有絲分裂及中性粒細(xì)胞募集的正常晝夜節(jié)律是角膜上皮愈合的基礎(chǔ)。

生物鐘基因(Clock、Bmal1、Per2、Cry1和Rev-erbα)在角膜上皮表達(dá)且呈節(jié)律性振蕩，并參與損傷后修復(fù)反應(yīng)[15]。糖尿病、異常光線等可能通過影響生物鐘基因的晝夜振蕩，進(jìn)而抑制角膜上皮修復(fù)[12, 16]。Song等[12]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠角膜上皮生物鐘基因的節(jié)律性表達(dá)發(fā)生異常，出現(xiàn)Clock、Bmal1和Per2表達(dá)下調(diào)，以及Cry1和Rev-erbα表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致角膜上皮細(xì)胞有絲分裂減少及炎性反應(yīng)增加，最終影響角膜上皮愈合。胰島素治療則可恢復(fù)糖尿病小鼠角膜上皮Per2、Cry1和Rev-erbα的節(jié)律性表達(dá)，促進(jìn)角膜再上皮化以及逆轉(zhuǎn)異常的炎癥狀態(tài)，從而加快角膜上皮愈合。此外，Xue 等[17]研究發(fā)現(xiàn)光線的改變對(duì)生物鐘基因表達(dá)及角膜上皮愈合也產(chǎn)生影響。小鼠暴露于持續(xù)光照或者持續(xù)黑暗環(huán)境3d后，角膜生物鐘基因Clock、Bmal1、Per2、Rev-erbα表達(dá)顯著下降，導(dǎo)致角膜再上皮化發(fā)生延遲以及炎癥反應(yīng)加劇，最終角膜上皮修復(fù)受到抑制。生物鐘基因已成為角膜上皮修復(fù)治療中的新靶點(diǎn)。Rev-erbα的合成拮抗劑SR8278能增強(qiáng)Bmal1在細(xì)胞中的表達(dá)，糖尿病小鼠注射SR8278后，小鼠角膜上皮炎癥反應(yīng)減輕，從而促進(jìn)角膜上皮修復(fù)[18]。

2.2青光眼青光眼是一種典型的視神經(jīng)退行性病變，其特征性損害包括病理性眼壓升高以及慢性進(jìn)行性視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的變性和丟失。青光眼與晝夜節(jié)律紊亂關(guān)系密切：(1)青光眼患者出現(xiàn)睡眠紊亂、情緒障礙等全身晝夜節(jié)律紊亂表現(xiàn)幾率明顯高于正常人群，其原因可能在于青光眼患者神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的丟失，影響了光線這一重要授時(shí)因子從視網(wǎng)膜到SCN的傳遞，從而使患者出現(xiàn)全身晝夜節(jié)律紊亂的表現(xiàn)[19-20]；(2)眼壓、血壓、眼灌注壓及顱內(nèi)壓的波動(dòng)均具有晝夜節(jié)律性。大量研究已證實(shí)眼壓晝夜波動(dòng)增加、夜間血壓及眼灌注壓下降及夜間低顱內(nèi)壓是青光眼進(jìn)展的重要危險(xiǎn)因素[20-22]。因此，青光眼治療應(yīng)考慮患者晝夜紊亂特點(diǎn)以及降眼壓藥物的特性，予以個(gè)性化治療。Gubin等[23]研究褪黑素治療晚期青光眼患者的療效，發(fā)現(xiàn)褪黑素不僅可改善視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞功能，還能調(diào)節(jié)患者的睡眠、情緒障礙。Kiddee 等[24]比較了曲伏前列素滴眼液以及選擇性激光小梁成形術(shù)對(duì)原發(fā)性開角型青光眼和正常眼壓性青光眼患者24h眼壓波動(dòng)的影響，結(jié)果證實(shí)選擇性激光小梁成形術(shù)降眼壓作用在夜間顯著，而曲伏前列素滴眼液可顯著降低白天及夜間眼壓且能更好地控制晝夜眼壓波動(dòng)。

正常明暗環(huán)境下眼壓的晝夜節(jié)律性，表現(xiàn)為白天低眼壓及夜間高眼壓[25]。眼壓晝夜節(jié)律由中央和外周生物鐘基因共同調(diào)控。Cry缺陷(Cry1-/-Cry2-/-)小鼠及SCN病變兔子的中央生物鐘受損，會(huì)導(dǎo)致眼壓失去晝夜節(jié)律性并維持24h恒定[26]。小鼠外周虹膜-睫狀體中生物鐘基因Bmal1、Clock、Cry1、Cry2、Per1和Per2呈晝夜表達(dá)變化，其中Bmal1和Clock表達(dá)與眼壓呈負(fù)相關(guān)，而Cry1、Cry2、Per1和Per2基因與眼壓遵循相似的表達(dá)變化趨勢(shì)[27]。外周生物鐘調(diào)控眼壓的機(jī)制尚不清楚，推測(cè)可能是光照周期生物鐘基因增加房水分泌，導(dǎo)致在黑暗早期眼壓升高，黑暗周期內(nèi)生物鐘基因表達(dá)觸發(fā)房水分泌減少，導(dǎo)致白天眼壓下降，以此循環(huán)。SCN中央生物鐘對(duì)外周虹膜睫狀體生物鐘基因的調(diào)控作用依賴于糖皮質(zhì)激素的介導(dǎo)。腎上腺在SCN調(diào)控下節(jié)律性分泌糖皮質(zhì)激素，與虹膜睫狀體上糖皮質(zhì)激素受體結(jié)合后，促進(jìn)Per1、Per2轉(zhuǎn)錄活性[28]。因此予以糖皮質(zhì)激素可重置虹膜睫狀體生物鐘基因轉(zhuǎn)錄-翻譯振蕩環(huán)路，從而引起小鼠夜間眼壓升高，而腎上腺切除小鼠的糖皮質(zhì)激素分泌功能受損，導(dǎo)致SCN中央生物鐘對(duì)外周生物鐘調(diào)節(jié)作用消失，進(jìn)一步出現(xiàn)眼壓晝夜節(jié)律受損[29]。

2.3近視脈絡(luò)膜變薄和眼軸延長是近視共同病理機(jī)制，均受晝夜節(jié)律調(diào)制[30]。人眼的眼軸長度通常在中午最長，在晚上最短，平均晝夜變化幅度為25～45μm，脈絡(luò)膜厚度節(jié)律性為白天變薄及夜間增厚，平均晝夜變化幅度30μm[9]。雛雞脈絡(luò)膜厚度及眼軸長度的晝夜節(jié)律性特點(diǎn)與人類似[31]。暴露于持續(xù)光照環(huán)境的雛雞的眼軸晝夜節(jié)律的消失，進(jìn)一步出現(xiàn)眼軸增長及屈光發(fā)育異常[32]。Nickla等[32]研究發(fā)現(xiàn)雛雞夜間暴露于光線2h，其脈絡(luò)膜厚度和眼軸長度的晝夜節(jié)律即受到干擾，進(jìn)而出現(xiàn)近視進(jìn)展[32]。因此，光照的節(jié)律紊亂可能是脈絡(luò)膜厚度和眼軸長度節(jié)律紊亂的重要危險(xiǎn)因素，現(xiàn)代社會(huì)人造光以及夜間照明(包括電腦手機(jī)及電視屏幕的藍(lán)光)的大量使用，可能是誘導(dǎo)近視發(fā)生發(fā)展的因素之一[33]。另外，遠(yuǎn)視離焦刺激也對(duì)脈絡(luò)膜厚度及眼軸長度的晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響。Chakraborty等[34]連續(xù)12h予以受試者遠(yuǎn)視離焦刺激，發(fā)現(xiàn)人脈絡(luò)膜厚度及眼軸長度晝夜變化幅度顯著增加，而此變化在去除離焦刺激后第2d即恢復(fù)正常。Nickla等[35]在早晨予以雛雞2h的遠(yuǎn)視離焦，即出現(xiàn)眼軸長度和脈絡(luò)膜厚度的晝夜節(jié)律異常，從而促進(jìn)眼球生長，但在中午進(jìn)行相同刺激則對(duì)雛雞眼球的生長起抑制作用，故該研究不建議學(xué)齡期兒童在早晨進(jìn)行閱讀活動(dòng)。

除了脈絡(luò)膜厚度及眼軸的晝夜節(jié)律之外，生物鐘基因調(diào)節(jié)下視網(wǎng)膜信號(hào)以及鞏膜重塑的節(jié)律也與屈光發(fā)育密切相關(guān)。多巴胺是視網(wǎng)膜重要的神經(jīng)遞質(zhì)，其在視網(wǎng)膜的合成具有晝夜節(jié)律，白天釋放量高，夜間釋放量低[36]。戶外活動(dòng)通過提高視網(wǎng)膜多巴胺含量延緩近視發(fā)生的作用已被廣泛認(rèn)可，但具體機(jī)制尚未達(dá)成共識(shí)。研究已證實(shí)視網(wǎng)膜多巴胺能無長突細(xì)胞中存在Bmal1、Clock、Cry1、Cry2、Per1和Per2表達(dá)，故該細(xì)胞中的生物鐘基因可能在調(diào)控光線變化與多巴胺合成之間起關(guān)鍵作用，并具有深入研究的價(jià)值[5,37]。完整的視網(wǎng)膜內(nèi)在生物鐘是正視化的基礎(chǔ)，破壞視網(wǎng)膜生物鐘可能會(huì)導(dǎo)致屈光發(fā)育異常[38-39]。特異性敲除小鼠視網(wǎng)膜Bmal1基因，小鼠出現(xiàn)玻璃體腔加深及眼軸延長等近視表現(xiàn)[40-41]。此外，鞏膜軟骨細(xì)胞合成蛋白聚糖是鞏膜重塑、眼軸延長的基礎(chǔ)。分離的雛雞鞏膜碎片仍可觀察到3個(gè)周期性節(jié)律振蕩[42]，提示鞏膜中可能存在生物鐘基因控制鞏膜合成及主動(dòng)重塑過程。因此，近視的發(fā)生發(fā)展與脈絡(luò)膜厚度、眼軸長度晝夜節(jié)律紊亂關(guān)系密切，生物鐘基因可能從影響視網(wǎng)膜功能、多巴胺合成及鞏膜重塑等方面調(diào)控近視進(jìn)展。

3小結(jié)

綜上所述，目前的研究已提示生物鐘基因參與多種眼部疾病的病理生理過程，但仍存在局限性：(1)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象是夜行嚙齒類動(dòng)物，其活動(dòng)/休息節(jié)律與人類相反，因此難以將動(dòng)物研究結(jié)果直接應(yīng)用于人類的臨床活動(dòng)中。(2)生物鐘基因調(diào)控眼科疾病的作用機(jī)制尚未完全清楚。生物鐘系統(tǒng)各基因作用關(guān)系復(fù)雜，不同個(gè)體對(duì)進(jìn)食、光線等授時(shí)因子敏感度存在差異，之后的研究尚需從多層次多角度更精準(zhǔn)地揭示生物鐘基因、晝夜節(jié)律與疾病之間的聯(lián)系。此外，我國傳統(tǒng)的中醫(yī)藥理論對(duì)晝夜節(jié)律也有廣泛而深入的研究，因此將中醫(yī)學(xué)及現(xiàn)代時(shí)間醫(yī)學(xué)相結(jié)合有助于疾病的防治，并拓展嶄新學(xué)科交叉領(lǐng)域。