科普:生命時鐘的振蕩器——解讀2017諾貝爾生理學或醫學獎成果

2017-10-06 00:19:09 來源:黃海新聞網 責任編輯:黃海新聞網

  新華社北京10月2日電(記者王艷紅)從藍綠藻到真菌、從植物到動物,地球生命普遍擁有一套內置的時鐘,以24小時為周期調節生理活動,以適應我們這顆行星的自轉和晝夜變化。獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家,在分子水平上揭示了生命時鐘怎樣“滴答”走動。

  含羞草葉子在黑暗中仍按晝夜規律開閉,向日葵在太陽尚未升起時已經朝向東方,人在亮如白晝的辦公室里待到半夜照樣犯困——生物的自然節律并不依賴于外界條件刺激,而是由某種內在機制掌控。鐘表的核心元件是振蕩器,比如鐘擺、機械振子或石英電路,它們產生穩定的周期性振動。

  那么在生物體里,這個振蕩器是什么?

  人們很早就發現生物節律特征可以遺傳,隨著分子生物學發展,科學界逐漸提出“生物鐘基因”的設想。20世紀70年代,美國加州理工學院的西摩·本澤和羅納德·科諾普卡用果蠅做實驗,篩選相關的基因突變。

  果蠅的破蛹羽化有著特定節律,野生品種只在一天的特定時刻出蛹,周期是24小時。科諾普卡等人培養并篩選出了周期更長或更短,甚至沒有周期的果蠅,發現它們在基因組的同一區域發生突變,從而定位到了生物鐘基因,命名為“周期”基因。但限于技術發展水平,人們當時無法弄清這個基因的代碼序列,因為克隆果蠅DNA的技術于70年代晚期才出現。

  1984年,三名美國科學家,杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚克隆出了“周期”基因,并把它編碼的蛋白質命名為PER。他們發現,果蠅體內的PER蛋白質濃度有規律地變動,振蕩周期正是24小時。至此,人們找到了生物鐘的“振蕩器”,看到了它的振蕩,接下來就是弄清工作原理。

  霍爾和羅斯巴什提出了一個“負反饋”機制:PER蛋白質濃度上升會抑制“周期”基因的活動,阻止基因制造出更多的PER蛋白質,導致濃度回落。這就好比攢下幾個錢后,人就不繼續工作掙錢了。

  抑制基因活動必須在細胞核里進行,而PER蛋白質自身無法進入細胞核,需要另一種蛋白質的協助,即揚于1994年發現的第二個生物節律基因“無時”,其編碼的蛋白質被稱為TIM。PER蛋白質濃度比較高時,能與TIM蛋白質結合,從而獲得進入細胞核的“通行證”。

  此后還發現了其他幾個相關基因,涉及到PER蛋白質的降解、“周期”基因的啟動等,與前兩種基因共同構成“轉錄翻譯反饋回路”(TTFL),這就是果蠅生物鐘的核心振蕩機制。

  如果把PER蛋白質比擬成錢、“周期”基因的運作比擬成勞動,那么TIM蛋白質就可以比作消費欲望,其他基因分別是消費行為、工作動力等等,整個振蕩過程可以想像成工薪族錢包鼓起來又癟下去的周期性變動。

  時隔30多年后,霍爾、羅斯巴什和揚因為這一研究發現最終摘獲諾獎。霍爾在獲獎后接受美聯社采訪時說,弄清這一機制有助于解決因晝夜節律紊亂導致的睡眠問題。

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