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牡丹江一中_2017年诺贝尔生理学或医学奖揭橥

2019-10-09 22:32 出处:牡丹江新闻网  人气:   评论( 0

大多数生命体能够预知和适应环境的日常变化。早在18世纪,天文学家Jean Jacques d'Ortous de Mairan就研究了含羞草这种植物,他发现含羞草的叶子会在白天向着太阳打开,然后在黄昏时合拢。他好奇如果含羞草持续处于黑暗环境中会产生什么变化,之后他发现,尽管没有日光照射,含羞草的叶子每天仍然保持其正常的规律性变化(图1)。植物似乎有它们自己的生物钟。

后来,其他科学家发现不只植物,动物和人类也有生物钟帮助自身生理状态适应环境的日常变化。这种常规性适应被称为“昼夜节律”,其中“昼夜(circadian)”一词来源于拉丁文中的circa(意为“大约”dies(意为“一天”。但是,我们体内的昼夜生物钟到底如何运作仍是未解之谜。

图1.体内生物时钟。含羞草的叶子白天向着太阳打开,到黄昏时闭合(图上半部分)。Jean Jacques d'Ortous de Mairan将含羞草放在黑暗环境中(图下半部分)并发现:就算没有阳光的照射,叶子仍然保持其正常的规律性变化。

时钟基因的发现

在上个世纪70年代,美国分子生物学家Seymour Benzer及其学生Ronald Konopka提出一个想法:果蝇体内有没有可能存在着控制其昼夜节律的基因呢?经过研究,他们发现果蝇体内一种未知基因的突变确实会扰乱其昼夜节律。他们将这种突变的基因命名为“周期”基因。但是,又有个新问题出现:周期基因又是怎么影响果蝇的昼夜节律的呢?

今年的诺奖得主们,研究的对象也是果蝇,他们就瞄准了生物钟到底如何运行这个研究领域。1984年,Jeffrey Hall和Michael Rosbash——这两位在波士顿的布兰迪斯大学有着紧密合作的科学家,以及洛克菲勒大学的Michael Young,三人成功地分离出周期基因。Jeffrey Hall和MichaelRosbash接着发现了周期基因编码的蛋白PER,PER会在会在夜间不断累积,然后在白天又发生分解。因而,PER蛋白水平的变化以24小时为周期,正好与昼夜节律保持同步。

一种自我调控的发条机制

下一步研究的关键是,搞清楚这样的节律变化是如何产生并维持的。Jeffrey Hall和Michael Rosbash猜想,PER蛋白阻断了周期基因的活性。他们进而推测,通过一种抑制反馈回路,PER蛋白可能阻止了自身的合成,因而持续而周期性地调节了自身的水平(图2A)。

图2A:周期基因反馈调节的简单图示。图中显示了24小时内的系列事件。当周期基因激活时,mRNA就生成了。mRNA被转运到细胞质中,作为PER蛋白产生的模板。PER在细胞核中聚集,而周期基因的活性此时被阻断。这就帮助产生了阻断反馈机制,从而形成了昼夜节律。

这一模型很“诱人”,但是缺失了一些片段。为了阻断周期基因的活性,PER蛋白需要接触到细胞核。Jeffrey Hall和Michael Rosbash已经证实,PER蛋白是在夜间聚集到细胞核的,问题是如何到那儿的?1994年,Michael Young发现了第二种发条基因timeless,它编码昼夜节律所需的TIM蛋白。他证实,当TIM蛋白绑定到PER蛋白时,两种蛋白就能进入细胞核,从而阻断周期基因活性,关闭阻断反馈回路(图2B)。

图2B:节律钟的分子成分的简单图示。

这一调节反馈机制解释了细胞蛋白水平的变化是如何产生的,但仍有疑问待解。是什么控制了这种变化的频率?Michael Young鉴定出了另一种基因doubletime,它编码DBT蛋白,能够延迟PER蛋白的聚集。这就解释了这种节律调控如何更契合24小时的循环。

三位诺奖得主的发现是颠覆传统的,建立了生物钟的关键机制。随后一些年,节律钟机制的其他分子组分陆续被阐明,进一步阐释了它的稳定性和功能。比如,今年的得主还鉴定出一些额外蛋白,是激活周期基因所需,此外,光能同步节律钟的机制也少不了它们。

为人体生理“保持准时”

人体生理的很多方面都牵涉到生物钟。我们知道,所有的多细胞有机体,包括人类,利用一种相似的机制来控制昼夜节律。我们很大一部分基因是由生物钟调控着,于是,一种精细校准过的昼夜节律就调整着我们的生理,以适应每天的不同阶段(图3)。自从这一重大发现以来,节律生物学已经发展成为一个广阔而有活力的研究领域,影响着我们的健康和福祉。

图3:节律钟预测并调整我们的生理,以适应每天的不同阶段。生物钟帮助调节睡眠模式、摄食行为、激素释放、血压以及体温。

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本文标签: 2017年诺贝尔生理学医学揭晓

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