科普:生命时钟的振荡器——解读2017诺贝尔生理学或医学奖成果

王艳红

2017年10月09日07:51  来源:新华社
 
原标题:科普:生命时钟的振荡器——解读2017诺贝尔生理学或医学奖成果

  从蓝绿藻到真菌、从植物到动物,地球生命普遍拥有一套内置的时钟,以24小时为周期调节生理活动,以适应我们这颗行星的自转和昼夜变化。获得2017年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家,在分子水平上揭示了生命时钟怎样“滴答”走动。

  含羞草叶子在黑暗中仍按昼夜规律开闭,向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方,人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困——生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激,而是由某种内在机制掌控。钟表的核心元件是振荡器,比如钟摆、机械振子或石英电路,它们产生稳定的周期性振动。

  那么在生物体里,这个振荡器是什么?

  人们很早就发现生物节律特征可以遗传,随着分子生物学发展,科学界逐渐提出“生物钟基因”的设想。20世纪70年代,美国加州理工学院的西摩·本泽和罗纳德·科诺普卡用果蝇做实验,筛选相关的基因突变。

  果蝇的破蛹羽化有着特定节律,野生品种只在一天的特定时刻出蛹,周期是24小时。科诺普卡等人培养并筛选出了周期更长或更短,甚至没有周期的果蝇,发现它们在基因组的同一区域发生突变,从而定位到了生物钟基因,命名为“周期”基因。但限于技术发展水平,人们当时无法弄清这个基因的代码序列,因为克隆果蝇DNA的技术于70年代晚期才出现。

  1984年,三名美国科学家,杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬克隆出了“周期”基因,并把它编码的蛋白质命名为PER。他们发现,果蝇体内的PER蛋白质浓度有规律地变动,振荡周期正是24小时。至此,人们找到了生物钟的“振荡器”,看到了它的振荡,接下来就是弄清工作原理。

  霍尔和罗斯巴什提出了一个“负反馈”机制:PER蛋白质浓度上升会抑制“周期”基因的活动,阻止基因制造出更多的PER蛋白质,导致浓度回落。这就好比攒下几个钱后,人就不继续工作挣钱了。

  抑制基因活动必须在细胞核里进行,而PER蛋白质自身无法进入细胞核,需要另一种蛋白质的协助,即扬于1994年发现的第二个生物节律基因“无时”,其编码的蛋白质被称为TIM。PER蛋白质浓度比较高时,能与TIM蛋白质结合,从而获得进入细胞核的“通行证”。

  此后还发现了其他几个相关基因,涉及到PER蛋白质的降解、“周期”基因的启动等,与前两种基因共同构成“转录翻译反馈回路”(TTFL),这就是果蝇生物钟的核心振荡机制。

  如果把PER蛋白质比拟成钱、“周期”基因的运作比拟成劳动,那么TIM蛋白质就可以比作消费欲望,其他基因分别是消费行为、工作动力等等,整个振荡过程可以想像成工薪族钱包鼓起来又瘪下去的周期性变动。

  时隔30多年后,霍尔、罗斯巴什和扬因为这一研究发现最终摘获诺奖。霍尔在获奖后接受美联社采访时说,弄清这一机制有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题。

(责编:张歌、申宁)

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