生物鐘的研究、功能和機(jī)理
——2017年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)成果簡(jiǎn)析

俞強(qiáng)

2017年10月2日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)宣布，2017年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給3位美國(guó)科學(xué)家：杰弗理·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和邁克爾·楊（Michael W. Young），獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)生物日節(jié)律（circadian rhythm）行為的基因和闡明其作用原理上做出的重要貢獻(xiàn)。

生物日節(jié)律，是以約晝夜24 h為周期的、在生命體中普遍存在的節(jié)律性生理生化和行為活動(dòng)，是眾多生物節(jié)律或生物鐘的一種。生物鐘是一個(gè)基本的和普遍的生物現(xiàn)象，生物鐘原理的揭示對(duì)人們了解生命和生命活動(dòng)具有重大的理論意義。3位科學(xué)家對(duì)生物鐘基因的發(fā)現(xiàn)和對(duì)其功能和機(jī)理的闡述讓人們?cè)诮裉鞂?duì)生物鐘的元件和工作原理有了一個(gè)具體和相對(duì)完整的認(rèn)識(shí)。本文主要介紹生物節(jié)律的研究歷史，解讀生物節(jié)律的分子機(jī)理，展望生物節(jié)律研究的方向，探討其對(duì)人類(lèi)健康和農(nóng)業(yè)的意義。

1 獲獎(jiǎng)?wù)呒捌溲芯拷?jīng)歷

3位獲獎(jiǎng)科學(xué)家都出生于美國(guó)，并長(zhǎng)期在美國(guó)從事遺傳學(xué)和時(shí)間生物學(xué)的工作，霍爾和羅斯巴什都是布蘭迪斯大學(xué)任職，楊就職于洛克菲勒大學(xué)。

杰弗里·霍爾1945年出生于紐約，于1971年在西雅圖華盛頓大學(xué)獲得了博士學(xué)位，1971—1973年在加州理工學(xué)院擔(dān)任博士后研究員，1974年，他加入了布蘭迪斯大學(xué)任教職。作為遺傳學(xué)家，他終身研究果蠅的行為遺傳學(xué)。除了生物日節(jié)律，他還研究果蠅的交配行為，是果蠅行為生物學(xué)研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一和重要科學(xué)家?；魻柡秃门笥蚜_斯巴什既是研究合作的伙伴也是很要好的朋友（實(shí)驗(yàn)室是隔壁鄰居）。果蠅生物鐘基因的克隆和研究工作是兩個(gè)人共同合作的成果。2003年，霍爾因在時(shí)間生物學(xué)領(lǐng)域的革命性工作被選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。

邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）1944年出生于美國(guó)堪薩斯城，是美國(guó)的遺傳學(xué)家和時(shí)間生物學(xué)家。他于1970年獲得美國(guó)劍橋的麻省理工大學(xué)博士學(xué)位。后在蘇格蘭的愛(ài)丁堡大學(xué)做了3年博士后研究。1974年以來(lái)，在布蘭迪斯大學(xué)任職。2003年，他當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。羅斯巴什除了在生物日節(jié)律研究領(lǐng)域做出了重要成績(jī)，同時(shí)也在酵母的RNA剪切機(jī)制研究領(lǐng)域有杰出貢獻(xiàn)。羅斯巴什是我的博士生導(dǎo)師。我1984年進(jìn)入他的實(shí)驗(yàn)室，見(jiàn)證并參與了生物鐘基因的克隆和鑒定工作。同時(shí)也和霍爾實(shí)驗(yàn)室合作，參與了果蠅交配行為和生物鐘關(guān)系的研究工作。

邁克爾·楊（Michael W.Young），1949年出生于美國(guó)的邁阿密，是美國(guó)的遺傳學(xué)家和時(shí)間生物學(xué)家。1975年，他在奧斯丁的德克薩斯大學(xué)獲得了遺傳學(xué)博士學(xué)位。1975—1977年，他在斯坦福大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。1978年后，他在紐約的洛克菲勒大學(xué)任職。楊是獲獎(jiǎng)的3位科學(xué)家中最年輕的一位。他早年從事果蠅轉(zhuǎn)座子機(jī)制的研究。在了解到果蠅的日節(jié)律基因被發(fā)現(xiàn)后，轉(zhuǎn)而開(kāi)展了日節(jié)律基因的克隆和機(jī)理研究工作至今。

在獲得諾貝爾獎(jiǎng)的工作過(guò)程中，這3位科學(xué)家的工作既相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，霍爾和羅斯巴什合作共同克隆了第一個(gè)生物鐘基因period（per），發(fā)現(xiàn)了不同細(xì)胞的生物鐘之間的協(xié)調(diào)同步，揭示了Cryptochrome（CRY），CLOCK和Cycle（CYC）蛋白的功能和機(jī)理，完善了日節(jié)律分子機(jī)理的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯負(fù)反饋調(diào)控（transcription translation negative feedback，TT?FL）模型。羅斯巴什的主要貢獻(xiàn)除了和霍爾合作克隆了第一個(gè)生物鐘基因per外，他還克隆了果蠅的另外兩個(gè)生物鐘基因：clock（clk）和cycle（cyc），并闡明了它們的功能和機(jī)理。他還揭示了CRY蛋白作為生物鐘的光受體功能并發(fā)現(xiàn)了果蠅LNv神經(jīng)元是果蠅生物鐘的起搏器。更重要的是，他發(fā)現(xiàn)了per基因表達(dá)水平的周期性變化，從而提出了著名的日節(jié)律分子機(jī)理的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯負(fù)反饋調(diào)控TTFL模型。楊的主要貢獻(xiàn)是和霍爾和羅斯巴什同時(shí)獨(dú)立克隆了per基因。其后又克隆了另一個(gè)生物鐘基因timeless（tim），發(fā)現(xiàn)了TIM和PER蛋白的相互作用及功能，并發(fā)現(xiàn)了光對(duì)TIM的調(diào)控以及對(duì)生物鐘相位的調(diào)控。楊的另一個(gè)貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了PER蛋白的磷酸化調(diào)控以及磷酸化PER的激酶Doubletime（Casein kinase 1）。

除了這3位獲獎(jiǎng)的科學(xué)家之外，還有兩個(gè)值得一提的對(duì)生物日節(jié)律這項(xiàng)工作作出重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家：加州理工學(xué)院的西莫爾·本澤爾（Seymour Benzer）（1921—2007）和他的學(xué)生羅納德·科諾普卡（Ronald Konopka）（1947—2015）。本澤爾是最早開(kāi)展果蠅行為遺傳學(xué)研究的科學(xué)家，是這個(gè)領(lǐng)域的重要開(kāi)創(chuàng)者，也是霍爾的博士后導(dǎo)師。他和科諾普卡是第一個(gè)用果蠅為模型開(kāi)展生物鐘基因研究的科學(xué)家，也是第一個(gè)從果蠅中發(fā)現(xiàn)生物鐘突變體和生物鐘基因的人。

2 生物鐘

日節(jié)律（circadian rhythm），準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該叫近日節(jié)律或近晝夜節(jié)律，是一種以接近晝夜24 h為周期的節(jié)律性生命活動(dòng)，也就是人們通常所說(shuō)的生物鐘。廣義的生物鐘是指不同生物體內(nèi)各種隨時(shí)間變化而做周期性變化的生理生化活動(dòng)，或生物節(jié)律，如人們心臟的跳動(dòng)、肺的呼吸，昆蟲(chóng)翅膀的扇動(dòng)等。而平常所說(shuō)的生物鐘是指地球上的生命隨地球的周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的各種周期性變化的生理生化活動(dòng)。例如，以年為周期的、在春秋季的繁衍和在冬季的冬眠等年周期節(jié)律，以及由月球造成的以月和半月等為周期的海洋沿岸的動(dòng)物產(chǎn)卵、排精等月周期節(jié)律。而最普遍的生物律動(dòng)是以24 h為周期的如人的血壓、體溫、體力、情緒等生理指標(biāo)的律動(dòng)，以及植物花的開(kāi)閉和葉片的光合作用等隨地球的自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的晝夜生理變化律動(dòng)。

從生物的演化和自然選擇原理來(lái)說(shuō)，地球上所有的生命現(xiàn)象都是大自然對(duì)生物適應(yīng)環(huán)境的演化選擇的結(jié)果。由于生命出現(xiàn)于地球形成約10億年之后，從它誕生開(kāi)始，生命最簡(jiǎn)單的生物分子之間的生物化學(xué)反應(yīng)就受到地球上早已存在的各種物質(zhì)和環(huán)境因素的影響，其后的變化也都在地球環(huán)境的影響之下，因此地球上生命的一切活動(dòng)都受到地球周期性律動(dòng)的影響，所有的生物節(jié)律也都是環(huán)境對(duì)生物演化的選擇的結(jié)果。從這個(gè)角度看生命，就不難理解生物的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)的普遍性。

地球在宇宙中最明顯的律動(dòng)就是圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)和圍繞自己軸心的自轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)的周期為23時(shí)56分4秒，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期為365.25天。這個(gè)地球相對(duì)于太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)律動(dòng)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響和控制著地球上生物的一切運(yùn)動(dòng)。而太陽(yáng)是地球上所有生命的能源和動(dòng)力，生命的運(yùn)動(dòng)不能不順從于太陽(yáng)能源的周期性律動(dòng)而隨之律動(dòng)。只有當(dāng)生命的節(jié)奏與自然環(huán)境，特別是能量供應(yīng)的節(jié)奏吻合的時(shí)候，生命才能夠更好地生存，才能在生物演化的過(guò)程中被自然選擇而保存下來(lái)。最常見(jiàn)的日節(jié)律就是植物的光合作用和動(dòng)物的晝夜活動(dòng)。

植物是地球上早期出現(xiàn)的生命形式，也是食物鏈最底層的物種，它們的養(yǎng)料來(lái)源于陽(yáng)光、空氣和水，它們都需要太陽(yáng)光能來(lái)進(jìn)行光合作用，因此植物的晝夜節(jié)律運(yùn)動(dòng)是最普遍也是最明顯的現(xiàn)象。植物的光合作用把太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能，植物的化學(xué)能又被轉(zhuǎn)化為動(dòng)物的化學(xué)能。生物的食物鏈實(shí)際上就是一個(gè)能量的傳遞鏈，這條鏈的源頭所吸收的是太陽(yáng)光的能量。太陽(yáng)光在地球上的律動(dòng)導(dǎo)致了地球上食物鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的律動(dòng)，因此最普遍和常見(jiàn)的生物鐘就是以晝夜24 h為周期的生物鐘。由于太陽(yáng)光一方面給生物提供能量，另一方面也對(duì)生物的大分子如DNA有損傷作用，因此生物也演化出了為保護(hù)DNA而躲避強(qiáng)光的生物鐘行為，如動(dòng)物為避免中午太陽(yáng)的高溫而在早晨和傍晚覓食的生物鐘行為。類(lèi)似的，食物鏈上的上下游物種之間也演化出了按時(shí)攝食和躲避被食的生物鐘行為。生物鐘告訴和指揮各種生物活動(dòng)的時(shí)間，也告訴和安排它們休息的時(shí)間。

2.1 生物鐘的發(fā)現(xiàn)

人類(lèi)最早認(rèn)識(shí)到的生物鐘現(xiàn)象是人自身的周期性變化，以及植物的葉和花的朝夕節(jié)奏性變化。古代有很多關(guān)于植物節(jié)奏性活動(dòng)的記載。全世界首先用科學(xué)的方法來(lái)研究生物節(jié)奏的是18世紀(jì)的法國(guó)天文學(xué)家讓—雅克·道托思·麥蘭（Jean—Jacques d'Ortous de Mairan）。他在研究地球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)注意到含羞草在白天時(shí)葉是張開(kāi)的，但到了晚上就閉合了。于是他把含羞草放到一個(gè)不透光的盒子里，然后觀察葉的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含羞草的葉在恒定的黑暗中仍然保持了它以24 h為周期的晝夜變化。麥蘭第一次記錄了內(nèi)源性的、而不是光或其他外因造成的晝夜節(jié)律性的振蕩，無(wú)意中成為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)日節(jié)律的人。麥蘭的發(fā)現(xiàn)比日節(jié)律這個(gè)詞的正規(guī)使用早了230年，并且他也是第一個(gè)用恒定環(huán)境來(lái)檢測(cè)和判斷一種生物節(jié)律是受外部刺激的還是內(nèi)源性的人。

繼麥蘭之后，法國(guó)農(nóng)學(xué)家亨利—路易斯·杜哈麥·芒修（Henri—Louis Duhamel du Monceau）做了一個(gè)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。他把含羞草放到了一個(gè)黑暗并保持溫度恒定的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)含羞草的葉的晝夜變化仍然存在，從而發(fā)現(xiàn)了生物鐘節(jié)律不僅不依賴于光，而且不依賴于溫度，進(jìn)一步提示內(nèi)源性生物鐘的存在。

1832年，瑞士植物學(xué)家艾爾芬斯·坎道拉（Alphonse de Candolle）發(fā)現(xiàn)，植物的葉在恒定的條件下的律動(dòng)周期并不完全與地球的自轉(zhuǎn)周期相同，有的植物律動(dòng)周期比24 h長(zhǎng)一點(diǎn)，而另一些則短一點(diǎn)，這從另一方面提示生物鐘的節(jié)律是獨(dú)立于環(huán)境的、自主的節(jié)律，否則它們的節(jié)律周期應(yīng)該和地球自轉(zhuǎn)一樣。3人的工作都從不同的方面指向了一個(gè)自主的、內(nèi)源性的生物鐘的存在，但他們3人的工作在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起其他科學(xué)家的注意。在他們之后的達(dá)爾文也做過(guò)類(lèi)似的研究，并和他的兒子一起共同發(fā)表了他們對(duì)生物鐘研究的結(jié)果。

近代對(duì)生物鐘的廣泛和深入的研究是從20世紀(jì)中期開(kāi)始的。德國(guó)生物學(xué)家歐文·本林（Erwin Bunning）、尤金·沃爾特·路德維格·阿紹夫（Jürgen Walther Ludwig Aschoff）和美國(guó)生物學(xué)家科林·皮登覺(jué)（Colin Pittendrigh）被認(rèn)為是生物鐘（也稱時(shí)間生物學(xué)）研究領(lǐng)域的創(chuàng)始人。本林研究的是植物的葉閉合活動(dòng)的生物鐘行為；阿紹夫研究的是人的體溫、活動(dòng)等和鳥(niǎo)類(lèi)的一些生物鐘行為；而皮登覺(jué)研究的則是果蠅運(yùn)動(dòng)的生物鐘行為。3個(gè)人所研究的生物系統(tǒng)雖然不同，但3個(gè)人都總結(jié)出相同的關(guān)于生物鐘的幾個(gè)基本特征。

1）生物鐘是內(nèi)源的、自主的、不依賴于環(huán)境變化的生物節(jié)律。

2）晝夜節(jié)律的生物鐘周期不是精確的24 h，而是接近于24 h。

3）生物鐘具有溫度補(bǔ)償?shù)男阅埽茉诓煌臏囟葪l件下保持穩(wěn)定。

4）光照不是產(chǎn)生節(jié)律的原因，但能夠調(diào)節(jié)和重置晝夜節(jié)律生物鐘的相并使其同步。

這個(gè)時(shí)期的生物鐘研究雖然對(duì)生物鐘存在的普遍性以及生物鐘的某些基本特征和規(guī)律有了較為深入和廣泛的了解，也知道怎樣用光來(lái)重置生物鐘的啟動(dòng)和用化合物來(lái)停止生物鐘的運(yùn)行，但此時(shí)的研究還基本停留在對(duì)現(xiàn)象的描述和對(duì)機(jī)理的猜想階段，而對(duì)生物鐘的元件和運(yùn)行機(jī)理卻還一無(wú)所知。生物學(xué)家們還無(wú)法從細(xì)胞和分子的水平來(lái)想象一個(gè)生物鐘的構(gòu)造和生物化學(xué)反應(yīng)的原理和過(guò)程。

2.2 生物鐘在生物體中的部位

在明確生物鐘的現(xiàn)象后，科學(xué)家自然想知道生物鐘是什么樣的，它在生物體內(nèi)的什么部位，由哪些組織和細(xì)胞構(gòu)成，這個(gè)鐘是如何工作的，生物體內(nèi)有一個(gè)鐘還是多個(gè)鐘，不同的鐘之間是如何配合工作的。對(duì)于生物現(xiàn)象的許多機(jī)理研究都是在大鼠、小鼠和果蠅這3種動(dòng)物模型中展開(kāi)的，它們也同樣被用來(lái)研究生物鐘的機(jī)理。美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的瑞科特（Curt Paul Richter）在20世紀(jì)60年代對(duì)大鼠的生物鐘行為做了多方面的詳細(xì)研究，在代謝、內(nèi)分泌、神經(jīng)等多個(gè)系統(tǒng)中探索了影響生物鐘行為的元件和機(jī)理。他用手術(shù)的方法在大鼠的大腦各個(gè)部位做了200多次手術(shù)實(shí)驗(yàn)后，最終發(fā)現(xiàn)了大鼠下丘腦的前端是大鼠生物鐘的中心。當(dāng)他用手術(shù)的方法損傷了下丘腦前端的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)大鼠的多種生物節(jié)律被破壞了，瑞科特是世界上第1個(gè)指出下丘腦的前端可能是哺乳動(dòng)物生物鐘的振蕩器所在的人。后來(lái)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的朱可（Irving Zucker）和他的學(xué)生弗里德里希·史泰芬（Friedrich Stephan）以及芝加哥大學(xué)的羅伯特·摩爾（Robert Moore）對(duì)下丘腦做了進(jìn)一步的精確損傷研究，發(fā)現(xiàn)下丘腦前端的視交叉上核是啟動(dòng)大鼠生物鐘的關(guān)鍵元件。當(dāng)人為地?fù)p傷了視交叉上核時(shí)，大鼠的內(nèi)分泌節(jié)律和行為節(jié)律就喪失了，由此判定視交叉上核可能是大鼠生物鐘的起搏器。

最終對(duì)視交叉上核的生物鐘身份的確定是通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。日本東京大學(xué)（The University of Tokyo）的井上進(jìn)一（Shinichi Inouye）和川村宏（Hiroshi Kawamura）直接測(cè)量了視交叉上核神經(jīng)細(xì)胞在體內(nèi)和體外的電生理活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)視交叉上核神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)是以24 h為周期的日節(jié)律活動(dòng)，由此確定了視交叉上核為哺乳動(dòng)物生物鐘的振蕩器。后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，哺乳動(dòng)物的很多節(jié)律性行為和生理活動(dòng)，如睡眠、運(yùn)動(dòng)、警覺(jué)、激素水平、體溫、免疫功能、消化功能等，都受視交叉上核調(diào)控。如果沒(méi)有視交叉上核，這些生物節(jié)律就都消失了。雖然后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)其他許多細(xì)胞和組織也都有它們自己的以24 h為周期的生物鐘，但視交叉上核起到了一個(gè)調(diào)控和協(xié)調(diào)周?chē)M織的生物鐘保持同步運(yùn)行的作用，從而被稱為“主鐘”。視交叉上核的結(jié)構(gòu)和它在腦內(nèi)的位置決定了它作為生物鐘的起搏器和振蕩器的合理性。一方面它是大腦中許多直接從視網(wǎng)膜接受神經(jīng)信號(hào)的核之一，通過(guò)視網(wǎng)膜下丘腦束從視網(wǎng)膜上的一些光敏神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中接受信號(hào)；另一方面它和大腦的其他許多部分相互作用，將信號(hào)傳遞給大腦的其他部位。

生物鐘是一個(gè)生物適應(yīng)環(huán)境的古老的機(jī)制，從原理上講，地球上所有的生物都生活在同一個(gè)周期為24 h的日光變化的環(huán)境中，并且每種生物都是從單細(xì)胞演化而來(lái)，因此每個(gè)生物體的每個(gè)細(xì)胞都可能有一個(gè)生物鐘。事實(shí)似乎也證明正是如此。果蠅和鼠的生物鐘被發(fā)現(xiàn)存在于多種組織中，小鼠在體外生長(zhǎng)了30年的成纖維細(xì)胞株中的生物鐘基因的表達(dá)仍然呈現(xiàn)周期為24 h的節(jié)律性變化。從古老的單細(xì)胞生物如藍(lán)藻，到復(fù)雜動(dòng)物如人，在各種不同生物的不同細(xì)胞中，都有生物鐘的存在。不同細(xì)胞中的生物鐘各自分管著不同的節(jié)律性功能，而復(fù)雜動(dòng)物大腦中的生物鐘，起到了協(xié)同整合和介導(dǎo)光的調(diào)控的作用。在人等哺乳動(dòng)物中，下丘腦的視交叉上核就是這樣一個(gè)協(xié)調(diào)周?chē)M織“子鐘”的“主鐘”。

2.3 生物鐘的分子機(jī)理

對(duì)生物鐘的分子機(jī)理研究最早是在果蠅中展開(kāi)的，動(dòng)物中最早被闡明機(jī)理的生物振蕩器是果蠅的日節(jié)律的生物振蕩器，最早研究果蠅生物鐘行為的科學(xué)家是西莫爾·本澤爾（Seymour Benzer）和他的學(xué)生羅納德·科諾普卡（Ronald Konopka）。在20世紀(jì)70年代，他們首先運(yùn)用遺傳學(xué)的方法，用化合物誘導(dǎo)了果蠅DNA的突變，然后從發(fā)生了基因突變的子代果蠅中篩選到了生物鐘行為發(fā)生了改變的果蠅突變種。這些變種果蠅有的是完全失去了日節(jié)律的變種，叫“無(wú)周期突變”；有的雖然仍然保持規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)，但它們的日節(jié)律周期變得長(zhǎng)短不一，有的比24 h長(zhǎng)，叫“長(zhǎng)周期突變”；有的比24 h短，叫“短周期突變”。而且，這些突變的性狀是能夠遺傳的。這些遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示了生物鐘基因的存在，首次向科學(xué)界證明果蠅的生物鐘行為是基因調(diào)控的。本澤爾和科諾普卡將他們發(fā)現(xiàn)的生物鐘基因命名為“周期基因”（period/per），并在果蠅的基因染色體上確定了per基因的位置。這是世界上第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的生物鐘基因。

最終證明和明確基因是生物鐘行為的決定因素是生物鐘基因的克隆。諾獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)呋魻柡土_斯巴什在關(guān)注到本澤爾和科諾普卡發(fā)表的關(guān)于果蠅生物鐘突變種的時(shí)候，注意到了這一發(fā)現(xiàn)的重大意義，于是他們就決定合作來(lái)克隆果蠅的生物鐘基因。經(jīng)過(guò)了2年多的努力，他們的實(shí)驗(yàn)室終于在1984年從果蠅中克隆到了第一個(gè)生物鐘基因：period/per基因。與此同時(shí)，洛克菲勒大學(xué)楊的實(shí)驗(yàn)室也克隆到了per基因。繼per基因之后，另外幾個(gè)生物鐘元件基因clk、cyc、tim、cry、dou、vri、pdp1、cwo等也相繼被克隆。10年后，當(dāng)時(shí)在美國(guó)西北大學(xué)（Northwestern University）的約瑟夫·高橋（Joseph Takahashi）又在1994年發(fā)現(xiàn)了小鼠的生物鐘基因clk（clock），并在1997年克隆了clk基因，他成為發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物生物鐘基因的第一人。從此，生物鐘的研究發(fā)生了根本的改變，從對(duì)現(xiàn)象的描述和對(duì)機(jī)理的猜測(cè)，進(jìn)入在細(xì)胞和分子的水平上解析生物鐘的元件和闡明機(jī)理的研究。

經(jīng)過(guò)30年的研究，科學(xué)家現(xiàn)在對(duì)動(dòng)物中以24 h為周期的生物鐘的構(gòu)成和機(jī)理已經(jīng)有了基本了解。動(dòng)物生物鐘的循環(huán)律動(dòng)基本上是一個(gè)基因表達(dá)的負(fù)反饋環(huán)路，是一個(gè)基因表達(dá)的振蕩器和過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的異二聚體蛋白起了關(guān)鍵作用：一個(gè)是直接作用于DNA促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子CLK和CYC的二聚體CLK—CYC，另一個(gè)是抑制CLK—CYC轉(zhuǎn)錄功能的PER和TIM的二聚體PER—TIM。CLK—CYC的功能是促進(jìn)一系列包括PER—TIM在內(nèi)的和生物鐘行為相關(guān)的基因的表達(dá)。這些基因的啟動(dòng)子部位都有一段稱為E盒元件的DNA序列，LK—CYC作用于E盒序列促進(jìn)這些基因的表達(dá)。表達(dá)后的PER和TIM蛋白先在細(xì)胞質(zhì)中逐漸累積，到了晚上當(dāng)兩種蛋白累積達(dá)到一定的量后又被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中轉(zhuǎn)而抑制CLK—CYC的轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制它們自己以及所有CLK—CYC下游基因的表達(dá)，減少被表達(dá)的量。而在細(xì)胞質(zhì)中的PER蛋白被逐漸水解，從而構(gòu)成了一個(gè)以24 h為周期的負(fù)反饋調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的振蕩TTFL。

這種以24 h為周期的節(jié)律具有一種特性，就是它的起始點(diǎn)可以被光照重新設(shè)置。這個(gè)重設(shè)置過(guò)程也是一個(gè)由蛋白質(zhì)介導(dǎo)的生物化學(xué)過(guò)程。在果蠅中，這個(gè)有重設(shè)置功能的蛋白稱為cryptochrome（CRY）。CRY蛋白有感光的功能，它和TIM的相互作用是光依賴的，并且這種相互作用的結(jié)果是TIM的降解。而失去TIM的PER蛋白不穩(wěn)定，最終也在有光照的白天被降解，其結(jié)果就是減少了對(duì)CLK—CYC二聚體功能的抑制，從而使得CLK—CYC介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄重新開(kāi)始。

生物鐘是普遍存在的，提示它在生物演化史中是一個(gè)古老的現(xiàn)象。果蠅和哺乳動(dòng)物中的生物鐘基因相似，但和植物及單細(xì)胞生物的基因不同。不同生物生物鐘基因的不相似性提示生命的起源是多元平行的起源。雖然不同種生物的生物鐘基因多種多樣，但它們的工作原理都是類(lèi)似的：基因表達(dá)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。這個(gè)生物振蕩器就是所有生命所共有的、最基本的生物化學(xué)反應(yīng)的振蕩器：基因表達(dá)的振蕩器。

2.4 生物鐘的功能

所有的生物性狀都是自然對(duì)生物適應(yīng)環(huán)境的變化選擇的結(jié)果。有利于生存和繁殖的性狀就在生物演化的過(guò)程中被自然選擇保留了下來(lái)，反之則被淘汰。生物鐘也是一樣。生物鐘是生物在長(zhǎng)年的演化過(guò)程中被環(huán)境選擇出來(lái)的一種預(yù)見(jiàn)和預(yù)警機(jī)制，它預(yù)見(jiàn)一個(gè)規(guī)律性事件的發(fā)生，通常是食物和危險(xiǎn)的出現(xiàn)。生物鐘讓一個(gè)生物個(gè)體預(yù)見(jiàn)到食物的定時(shí)出現(xiàn)而提前準(zhǔn)備并及時(shí)到場(chǎng)；生物鐘也預(yù)見(jiàn)不利于生理活動(dòng)的事件，比如高溫和寒冷的定時(shí)出現(xiàn)而提前規(guī)避。能掌握環(huán)境變化規(guī)律并預(yù)見(jiàn)環(huán)境變化的物種顯然有生存和繁殖的優(yōu)勢(shì)，因此被自然所選擇。生物鐘的元件和機(jī)理就是這樣在長(zhǎng)期的生物演化過(guò)程中被自然選擇保留了下來(lái)，成為了普遍的生命現(xiàn)象。光照的亮度變化選擇和保留了日節(jié)律生物鐘的構(gòu)造和機(jī)制，而光照長(zhǎng)度的變化則選擇和保留了年節(jié)律生物鐘的構(gòu)造和機(jī)制。

3 人體的生物鐘以及和健康的關(guān)系

人的生物鐘就是人體內(nèi)隨時(shí)間作周期變化的生理生化過(guò)程、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及行為等現(xiàn)象。人體內(nèi)的生物鐘多種多樣，人體的各種生理指標(biāo)，如脈搏、體溫、血壓、體力、情緒、智力等，都會(huì)隨著晝夜變化做周期性變化。例如，體溫早上4時(shí)最低，下午18時(shí)最高，相差有1℃多?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)對(duì)人體的許多生理生化活動(dòng)的晝夜節(jié)律現(xiàn)象有了比較清楚的了解。

在凌晨2時(shí)的時(shí)候，人的睡眠達(dá)到最大深度，凌晨4時(shí)30分，體溫達(dá)到最低，凌晨的6時(shí)45分血壓的升高最快，早晨7時(shí)30分褪黑素的分泌停止，早晨8時(shí)30分，腸蠕動(dòng)頻繁發(fā)生，在9時(shí)的時(shí)候睪酮分泌量達(dá)到了最高，上午10時(shí)的時(shí)候是人們頭腦最清醒的時(shí)刻，在下午14時(shí)30分人的四肢活動(dòng)配合到最佳狀況，下午15時(shí)30分是人們反應(yīng)最靈敏的時(shí)候，到了下午17時(shí)，人體心血管工作的效率最高，肌肉強(qiáng)度最大，下午18時(shí)30分，人的血壓達(dá)到了1天的高峰，隨即在晚上19時(shí)，體溫達(dá)到了高峰，晚上21時(shí)的時(shí)候褪黑素的分泌開(kāi)始，到22時(shí)30分，人的腸蠕動(dòng)被抑制，這是典型人體生物鐘的一天。

生物鐘的正常工作對(duì)人的健康起著重要作用。生物鐘失調(diào)會(huì)導(dǎo)致失眠、體乏、抑郁、免疫功能低下甚至產(chǎn)生包括腫瘤在內(nèi)的各種疾病。生物鐘基因的突變也導(dǎo)致生物鐘行為的失常。根據(jù)人的生理生化活動(dòng)的周期性變化，人可以合理安排一天的活動(dòng)，從而使工作和休息效率達(dá)到最高，也使得人的身心健康狀態(tài)達(dá)到最佳。因此，生物鐘是大自然中各種自然鐘的一種，是生命物質(zhì)適應(yīng)物質(zhì)世界基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種生命運(yùn)動(dòng)形式，是大自然對(duì)生物演化的選擇，它賦予了生命以預(yù)見(jiàn)和應(yīng)對(duì)自然環(huán)境變化的能力。了解和順應(yīng)大自然賦予我們的生物鐘，會(huì)使人們的生活更加健康、和諧和愉悅。

4 展望

對(duì)生物鐘的進(jìn)一步研究一是要在理論上繼續(xù)深入了解和闡明生物鐘振蕩器的運(yùn)行和調(diào)控機(jī)理，包括發(fā)現(xiàn)更多的生物鐘運(yùn)行和調(diào)控組件基因并揭示組件之間的相互關(guān)系和相互作用，發(fā)現(xiàn)更多的生物鐘現(xiàn)象及其調(diào)控，發(fā)現(xiàn)除轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯之外的更多可能的生理生化振蕩器如蛋白磷酸化和表觀遺傳振蕩器，了解生物鐘在不同物種中的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，揭示生物鐘的演化過(guò)程等。二是在應(yīng)用上發(fā)現(xiàn)生物鐘和人類(lèi)疾病的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)潛在的治療和生物鐘行為相關(guān)疾病的藥物靶點(diǎn)，以及開(kāi)發(fā)調(diào)控生物鐘和治療相關(guān)疾病的藥物。三是發(fā)現(xiàn)生物鐘在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，如利用生物鐘行為來(lái)避免病蟲(chóng)害和提高農(nóng)作物產(chǎn)品中營(yíng)養(yǎng)和藥物成分的產(chǎn)出。隨著科學(xué)研究對(duì)生物鐘的進(jìn)一步了解，該領(lǐng)域的研究成果也將被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到人類(lèi)生活當(dāng)中去。