扭曲的時鐘

蔣昕

您注意到了嗎？隨著年齡增長，許多老年人的生物節(jié)律會發(fā)生紊亂，白天瞌睡晚上醒，或者本來白天好好的，卻在日落時分犯起糊涂來。此外，老年人也易患阿爾茲海默病、帕金森病等神經退行性疾病，這些問題出現(xiàn)的背后有什么內在的聯(lián)系？

地球通過自轉和公轉產生白晝分明的二十四小時和四季變化的三百六十五天，地球上的生物也進化出穩(wěn)定的“生物鐘”以適應外界環(huán)境中的光照、溫度等變化。這種奇妙的生物節(jié)律一直是科學家研究的熱點，而目前研究人員已利用在不同模式生物中的遺傳學篩選，以及對睡眠疾病患者進行基因測序的方式找到了調控節(jié)律的關鍵基因，正是由這些基因構成的網絡形成了我們體內看不見的“時鐘”。但隨著人年齡的增加，這個原本穩(wěn)定的時鐘有時也會慢慢出現(xiàn)毛病，于是有些人會出現(xiàn)節(jié)律相關的問題。

除了生物鐘的紊亂，伴隨衰老而來的還有神經退行性疾病，如阿爾茲海默?。ㄋ追Q老年癡呆癥）和帕金森病等。奇怪的是，有些神經退行性疾病的患者除了出現(xiàn)這些疾病的典型癥狀如記憶力減退、運動僵直等外，還會出現(xiàn)生物節(jié)律的紊亂。且有時節(jié)律異常甚至在罹患神經退行性疾病之前好幾年就已出現(xiàn)。這不禁令人發(fā)問，生物節(jié)律的紊亂與退行性疾病的發(fā)生發(fā)展之間是否存在著因果關系？

生物鐘的分子零件

2017年諾貝爾生理或醫(yī)學獎授予了三位在果蠅上找到調控生物鐘關鍵基因的科學家，讓更多人知道了像生物節(jié)律這樣復雜的行為也是由基因控制的。但追溯到1971年，當加州理工大學的本澤（S.Benzer）教授和他的學生科諾普卡（R.Kanopka）驚訝地發(fā)現(xiàn)一個基因（PER）竟能調節(jié)果蠅的節(jié)律時，本澤教授博士后的導師德爾布魯克（M.Delbruck）教授卻堅定地對他說：“不，我一個字都不相信！”但在一代又一代科學家的努力下，從果蠅的Per基因開始，至今不僅已利用小鼠在哺乳動物中找到十幾個調控節(jié)律的核心基因，也解析出這些基因表達的蛋白質是如何構成精細的網絡來調控生物節(jié)律的。

哺乳動物中，這些核心節(jié)律蛋內之間能通過相互作用形成三條負反饋調控通路。而這三條負反饋通路中，最重要的通路由激活蛋白BMAL1、CLOCK和抑制蛋白PER、CRY構成。白天，激活蛋白復合體結合在Per，Cry基因的啟動子（一段能調控基因表達的DNA序列）上，激活PER、CRY的表達，其表達量逐漸積累，到傍晚時達到高峰;但抑制蛋白PER、CRY表達之后，卻反過來通過與激活蛋白復合體結合，來抑制自身的表達，于是PER、CRY的含量又在夜晚逐漸降低。到次日清晨，由于數(shù)量的減少，PER、CRY對自身表達的抑制也就被解除了，從而又激活蛋白復合體開啟新一輪的調節(jié)，周而復始。

神經退行性疾病中的節(jié)律紊亂

神經退行性疾病是由于大腦中某個腦區(qū)或某類神經細胞的死亡而造成的一系列疾病。較常見的神經退行性疾病有：影響認知和學習記憶的阿爾茲海默病、額顆癡呆（frontotemporal dementia），以及主要影響運動功能的帕金森病、亨廷頓舞蹈癥和肌萎縮側索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，俗稱漸凍癥）。神經退行性疾病的治療目前還是世界性醫(yī)學難題，對于基礎科研工作者來說，對這類疾病致病機制的探索道路還很漫長。所幸的是，這些疾病中有部分患者是家族性遺傳的（絕大部分患者是散發(fā)性的，即沒有家庭遺傳背景）。而對于這部分患者，可以通過基因測序得知是什么基因突變引發(fā)疾病，進而研究該基因的致病機理和發(fā)病機制。

在臨床上，一些診治神經退行性疾病的醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象，即部分患者會出現(xiàn)生物節(jié)律方面的問題。比如，25%～65%阿爾茲海默病患者在發(fā)病早期到發(fā)病期間，伴有不同癥狀的睡眠障礙，且很多睡眠障礙的產生甚至早于出現(xiàn)阿爾茲海默病的典型認知障礙。這些患者的睡眠問題包括天瞌睡增多，晚間失眠且睡眠間斷，每天的認知狀況隨著一天中光線逐漸變暗而變差（日落綜合征）等。此外，他們的腦電記錄（EEG）顯示，快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠時間都比對照人群的短。

除了阿爾茲海默癥外，帕金森病患者中睡眠-覺醒行為的紊亂還能作為其發(fā)病前的重要預測指標之一。據(jù)報道，有超過2/3的帕金森病患者會出現(xiàn)睡眠問題，其中最嚴重的是快速眼動睡眠障礙。快速眼動睡眠約占夜晚睡眠總時長的2 0%，在這段時間里人們常常會產生逼真的夢境。但因為正常人的運動中樞在沉睡時是受到抑制的，所以夢永遠只是虛無的想象，但快速眼動障礙的患者卻失去了對運動的抑制，于是會跟隨夢境揮動四肢、扭動身體，甚至會放聲呼喊起來。不幸的是，罹患快速眼動障礙的人群比對照人群更容易在未來患上帕金森病。

神經退行性疾病與生物節(jié)律紊亂間的關系

許多臨床數(shù)據(jù)已充分說明了不同神經退行性疾病與生物節(jié)律之間的相關性，但對于治病救人來說，只知道相關性還遠遠不夠。那么，如何來探究這兩者之間的因果關系呢？一條最直接的思路就是，神經退行性疾病的致病基因是否能直接調控生物節(jié)律呢？更細化一點地說，這些致病基因能否調控核心節(jié)律基因的表達，并當致病基因出現(xiàn)突變后，是否也會讓個體產生節(jié)律行為的異常呢？

近期的一項研究將關注點集中在一個與兩種神經退行性疾病（漸凍癥和額顳癡呆）都相關的蛋白FUS上面。Fus基因的突變會造成漸凍癥，且在患這兩種病的一些患者腦中也檢測到FUS蛋白的異常病理性聚集。在這兩類疾病特別是額顳癡呆患者中也有睡眠異常的報道，但還沒有相關分子機制的研究。一系列分子生化實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)US蛋白也能結合在核心節(jié)律基因PER、CRY的啟動子區(qū)域，并通過招募有抑制基因表達作用的PSF-HDAC1蛋白復合體，進而抑制PER、CRY基因的表達。這說明神經退行性疾病的致病基因也能調控核心節(jié)律基因的表達。

如何研究FUS基因的致病突變是否會影響個體的節(jié)律行為呢？漸凍癥中最常見的FUS基因突變使得FUS蛋白第521位精氨酸突變?yōu)榘腚装彼?，這使原本主要分布于細胞核內的FUS蛋白更多地分布于細胞質中，這可能影響FUS蛋白在細胞核內行使其調控節(jié)律基因表達的功能，從而影響個體的節(jié)律行為。為驗證FUS突變是否會影響節(jié)律行為，研究者使用了有著與人類相似FUS蛋白的大鼠作為模式生物，并運用CRISPR/Cas9基因編輯技術構建了一個與患者FUS蛋白第521位突變相同的FUS-521突變大鼠。為觀察FUS突變是否會影響節(jié)律，研究者采用經典的跑輪實驗來記錄大鼠的晝夜運動行為，以表征其生物節(jié)律。并通過記錄大鼠的腦電檢測其睡眠情況。實驗結果顯示，F(xiàn)US突變大鼠的運動節(jié)律和睡眠與野生型大鼠相比都出現(xiàn)了異常。這說明突變的致病基因也能影響生物體的正常節(jié)律。

綜上所述，一些神經退行性疾病的致病基因會通過調控核心節(jié)律基因的表達，來改變生物節(jié)律，所以患者中出現(xiàn)的節(jié)律癥狀有可能是突變的致病基因引起的，但對于不同基因都需要用實驗進行探究證實。但更重要的問題是，探索神經退行性疾病患者中的節(jié)律紊亂問題與患者更嚴重的疾病典型癥狀，如認知障礙、運動異常等有著怎樣的關系，如果能對生物節(jié)律紊亂癥狀采取干預，那是否也能對其他典型癥狀有所緩解。目前臨床上已有針對阿爾茲海默癥患者采取光照的治療手段，即通過強光照射調節(jié)其晝夜節(jié)律，但這種方法對患者的認知水平是否有幫助，還有待分析。因此，基礎科學方面更多關于兩者因果關系的探索及臨床上針對患者節(jié)律紊亂治療的嘗試都是值得努力的方向。

[1]Jiang X，Zhang T，Wang H，et al.Neurodegeneration-associated FUS is a novel regulator of circadian gene expression.Translational Neurodegeneration，2018，7：24-34.

[2]Dormann D，Haass C.TDP-43 and FUS：a nuclear affair.Trends Neurosci，2011，34（7）：339-48.

[3]Zhang T，Jiang X，Xu M，et al.Sleep and circadian abnormalities precede cognitive deficits in R521C FUS knockin rats.Neurobiology of Aging，2018，72：159-70.

關鍵詞：生物節(jié)律 ?神經退行性疾病 ?FUS基因 ?漸凍癥 ?額顳癡呆 ?轉基因模式動物