邁克爾·羅斯巴什

在得知自己獲得了2017年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，邁克爾·羅斯巴什是從熟睡中被喚醒的。他對(duì)此感到非常意外，“不得不承認(rèn)，我想都沒想過(guò)，完全沒有想到”。

邁克爾·羅斯巴什1944年出生于美國(guó)密蘇里州堪薩斯市，畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，在那里取得了博士學(xué)位。獲獎(jiǎng)時(shí)，他任職于馬薩諸塞州沃爾瑟姆市的布蘭迪斯大學(xué)和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院，是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、生物學(xué)教授、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院研究員。他的研究領(lǐng)域是晝夜節(jié)律、行為及基因表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)了控制晝夜節(jié)律的分子機(jī)制。

30多年前，邁克爾·羅斯巴什開始了對(duì)黑腹果蠅晝夜節(jié)律的研究。這項(xiàng)研究是在他的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)以及他的同事、布蘭迪斯大學(xué)的杰弗里·霍爾的編譯/ 朱林爽邁克爾·羅斯巴什實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)合作下展開的。他們當(dāng)時(shí)制定的短期目標(biāo)是克隆周期軌跡，長(zhǎng)期目標(biāo)則是確定普遍存在的晝夜節(jié)律所依賴的機(jī)制。他們首先從黑腹果蠅的周期基因（per）入手，因?yàn)樵诖酥?0多年，羅納德·科諾普卡和西摩·本澤爾在他們開創(chuàng)性的行為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了這種基因。1984年，他們?cè)?/p>

克隆和基因拯救方面的研究成果得到發(fā)表，但直到1990年，他們才對(duì)晝夜節(jié)律的機(jī)制有了一些理解。

保羅·哈丁在羅斯巴什的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究，他發(fā)現(xiàn)per基因的信使核糖核酸（mRNA）及其編碼蛋白（PER）在晝夜循環(huán)周期中會(huì)經(jīng)歷一定程度的波動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)表明PER蛋白對(duì)基因表達(dá)的負(fù)反饋回路十分重要，也表明per基因自身的轉(zhuǎn)錄受到影響。由于PER蛋白處于核心，研究者認(rèn)為PER能夠直接抑制自身mRNA的轉(zhuǎn)錄，而在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中暫時(shí)性抑制反饋回路是哺乳動(dòng)物、植物、脈孢菌甚至藍(lán)藻菌的公認(rèn)特性。此外，PER蛋白以及過(guò)去很多年間基因定義的許多其他生物鐘因子現(xiàn)大都得以保存下來(lái)，并且在哺乳動(dòng)物的生物鐘中發(fā)揮類似的功能。這表明，果蠅的生物鐘機(jī)制及原理廣泛存在于動(dòng)物世界。

盡管轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控在晝夜節(jié)律中起著十分關(guān)鍵的作用，但是轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也得到了研究者的格外重視，這是由于激酶突變體能夠?qū)壓筒溉閯?dòng)物生物鐘產(chǎn)生有效的影響。同時(shí)，對(duì)藍(lán)綠細(xì)菌晝夜節(jié)律系統(tǒng)的研究也取得了顯著成就。另外，近期的研究結(jié)果顯示，哺乳動(dòng)物具有一種晝夜節(jié)律鐘，能夠在不發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯的情況下發(fā)揮作用。盡管如此，羅斯巴什及其同事在短期

目標(biāo)（如上文所述）上取得的研究結(jié)果仍然驗(yàn)證了轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要性。例如，只有為數(shù)不多的果蠅基因在數(shù)量上受到控制時(shí)，才能夠?qū)円构?jié)律產(chǎn)生影響，而且這些影響晝夜節(jié)律的基因都是轉(zhuǎn)錄因子。

羅斯巴什團(tuán)隊(duì)對(duì)晝夜節(jié)律的研究有三個(gè)主要目標(biāo)：①發(fā)現(xiàn)果蠅晝夜節(jié)律發(fā)生的具體機(jī)理;②找到晝夜節(jié)律基因表達(dá)調(diào)控的發(fā)生規(guī)律;③了解果蠅大腦中與晝夜節(jié)律相關(guān)的神經(jīng)回路及個(gè)體晝夜節(jié)律神經(jīng)元的功能。此外，他們的研究還包括一些晝夜節(jié)律之外的工作，更多地關(guān)注基因表達(dá)調(diào)控的基本問(wèn)題。

他們使用各種生物化學(xué)和遺傳學(xué)方法，深入剖析影響生物鐘的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控機(jī)制，目的是尋找新的生物鐘基因，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其他調(diào)節(jié)機(jī)制。他們的晝夜節(jié)律實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Clk與per能夠與大量潛在的直接目標(biāo)基因進(jìn)行周期性結(jié)合。其中一些基因編碼成蛋白，很可能有助于轉(zhuǎn)錄的調(diào)控作用;還有一些基因在晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中能夠發(fā)揮潛在的作用。這說(shuō)明，核心轉(zhuǎn)錄反饋回路可能位于某些轉(zhuǎn)錄后調(diào)控模式的上游。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的大量直接目標(biāo)基因的一種有趣解釋是，

用于各種實(shí)驗(yàn)的果蠅頭部組織具有異質(zhì)性。事實(shí)上，羅斯巴什團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到一些證據(jù)，表明晝夜節(jié)律機(jī)制可以在不同的細(xì)胞中獲取不同的直接目標(biāo)基因，并且在不同的位置使用不同的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。

此外，羅斯巴什團(tuán)隊(duì)使用了高通量測(cè)序技術(shù)來(lái)解決有關(guān)晝夜節(jié)律的新問(wèn)題和老問(wèn)題。例如，對(duì)于果蠅頭部mRNA的晝夜節(jié)律振蕩范圍有多大這一問(wèn)題，許多實(shí)驗(yàn)室都是通過(guò)基因芯片陣列來(lái)探討的，而羅斯巴什團(tuán)隊(duì)使用高通量測(cè)序技術(shù)來(lái)估測(cè)mRNA 的循環(huán)周期。此外，這項(xiàng)技術(shù)還可對(duì)RNA周期與新生RNA 周期進(jìn)行比較，從而用于解決基因從本源上進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的實(shí)際量問(wèn)題。在這一研究中，他們還發(fā)現(xiàn)果蠅頭部擁有產(chǎn)生晝夜節(jié)律振蕩的微分子核糖核酸（miRNA），而且有些miRNA的循環(huán)振幅十分顯著。這表明，miRNA的半衰期一定很短。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于新陳代謝或miRNA的研究很有啟發(fā)。之前科學(xué)界普遍認(rèn)為新陳代謝和miRNA通常都非常穩(wěn)定，但對(duì)于它們是如何衰退的，現(xiàn)在仍不得而知。這一發(fā)現(xiàn)還表明，轉(zhuǎn)譯調(diào)控對(duì)晝夜節(jié)律非常重要。事實(shí)上，最新研究結(jié)果表明，大量的miRNA調(diào)控著重要的晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子Clk的轉(zhuǎn)譯過(guò)程，并且會(huì)以晝夜節(jié)律的方式對(duì)特定生理目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生影響。整體來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)譯節(jié)律調(diào)控是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

在過(guò)去幾年中，羅斯巴什的實(shí)驗(yàn)室還對(duì)果蠅晝夜節(jié)律的各種腦神經(jīng)元進(jìn)行了研究。從解剖學(xué)上講，腦神經(jīng)元可分為7種獨(dú)特的神經(jīng)元組，在成年果蠅大腦的每側(cè)總共有約75個(gè)細(xì)胞。這些細(xì)胞表現(xiàn)為高層次的生物鐘基因，通常能夠使生物鐘基因mRNA和蛋白產(chǎn)生強(qiáng)烈的晝夜節(jié)律同步振蕩。小型腹側(cè)神經(jīng)元控制昆蟲活動(dòng)模式的上午活動(dòng)峰值，另一個(gè)神經(jīng)元組控制著夜間活動(dòng)峰值。此外，控制上午活動(dòng)峰值的神經(jīng)元組在持續(xù)的黑暗中能夠發(fā)揮主要作用。那么，這些晝夜節(jié)律神經(jīng)

元之間是如何相互作用的？基因表達(dá)機(jī)制和神經(jīng)元放電之間存在著什么樣的關(guān)系？羅斯巴什的團(tuán)隊(duì)對(duì)這些問(wèn)題充滿了興趣，并打算進(jìn)行深入研究，以提出一個(gè)更為科學(xué)的解釋。盡管核心生物鐘基因大量存在于所有大腦晝夜節(jié)律神經(jīng)元中，但許多mRNA似乎以晝夜節(jié)律神經(jīng)元的特異性方式存在。如上所述，這種差異可能與神經(jīng)元亞組的特別功能有關(guān)。在專門神經(jīng)元子集中表現(xiàn)的mRNA在

不影響其他神經(jīng)元的情況下，也能夠調(diào)控特有的晝夜節(jié)律神經(jīng)元。因此，羅斯巴什的團(tuán)隊(duì)打算將對(duì)神經(jīng)元的研究擴(kuò)展到果蠅大腦的其他神經(jīng)元組織和高通量測(cè)序分析中。

另一個(gè)相關(guān)的關(guān)注點(diǎn)是基因表達(dá)是如何對(duì)各種環(huán)境刺激做出反應(yīng)的，目前最熱門的研究是光照環(huán)境。在晝夜循環(huán)和相位復(fù)位中，光起著重要而且普遍的作用。此外，光對(duì)不同的神經(jīng)元子集似乎也有不同的影響，例如，有的節(jié)律神經(jīng)元組的光感直接反應(yīng)在光線打開時(shí)（黎明），而有的神經(jīng)元組的光感反應(yīng)在光線關(guān)閉時(shí)（黃昏）。有趣的是，黎明神經(jīng)元細(xì)胞是喚醒細(xì)胞，而黃昏神經(jīng)元細(xì)胞能夠促進(jìn)睡眠，這就是動(dòng)物晝出夜伏的原因。

睡眠是羅斯巴什團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)研究領(lǐng)域，他們正試圖找出對(duì)睡眠有重大影響的其他腦神經(jīng)元。目前的研究成果主要在晝夜節(jié)律網(wǎng)絡(luò)之外。他們將這些不同的與睡眠相關(guān)的神經(jīng)元組和不同的體內(nèi)方法相結(jié)合，以此調(diào)節(jié)神經(jīng)元的功能，試圖深入了解睡眠調(diào)節(jié)機(jī)制的路徑和規(guī)律。

最后，羅斯巴什團(tuán)隊(duì)使用高通量測(cè)序技術(shù)解決剪接和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控問(wèn)題。他們通過(guò)對(duì)果蠅組織培養(yǎng)細(xì)胞的新生RNA進(jìn)行排序，試圖從基因組層面測(cè)量發(fā)生新生剪接的情況。這一研究目前仍然處于描述性分析階段，但羅斯巴什希望很快能進(jìn)入解決機(jī)制性問(wèn)題的階段。比如，剪接的晝夜節(jié)律調(diào)控是如何發(fā)生的？這些剪接事件對(duì)核心晝夜節(jié)律起作用嗎？在晝夜節(jié)律控制下，還有其他轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控方式嗎？

現(xiàn)在，人們對(duì)生物鐘早已習(xí)以為常，習(xí)慣了白天與黑夜交替，這實(shí)際上是對(duì)環(huán)境影響的原始適應(yīng)。羅斯巴什說(shuō)：“我們之前都沒有把行為和基因放在一起考慮。大家知道，所有人都沒有這樣做……研究工作需要一種工匠精神，我們只比別人往前多走了一步。我們做了很多實(shí)驗(yàn)，也失敗過(guò)很多次，但事后看來(lái)，這其中包含許多真理。”