關(guān)于DNA的時間生物學(xué)特征的猜想

嚴(yán) 冬， 魯海峰， 方 輝， 應(yīng)佩君，肖黨生

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院： 1傳染科， 2傳染病診治國家重點實驗室， 3急診科， 4普通內(nèi)科， 5老年科，浙江 杭州 310003)

細胞模型是現(xiàn)代生物學(xué)、生理學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)，生物學(xué)領(lǐng)域重大研究成果都源于這一模型。肖黨生等[1]對研究成果進行梳理和總結(jié)后提出了以細胞內(nèi)能量代謝和基因表達為核心的代謝模式圖。這一模式圖為認識生命現(xiàn)象提供了新的視角：所有生命現(xiàn)象都是細胞內(nèi)能量代謝和基因表達相互作用的結(jié)果，并受到細胞內(nèi)能量流、物質(zhì)流和遺傳信息流的支持和制約；結(jié)合基本理化原則可以對生命現(xiàn)象、細胞代謝通路等進行全面、嚴(yán)密的邏輯推導(dǎo)，包括生物的時間節(jié)律。生物的時間節(jié)律是普遍存在的生命現(xiàn)象，對人體代謝、內(nèi)分泌、炎癥、腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等都有影響[2-5]，現(xiàn)今對生物節(jié)律的認識已經(jīng)深入到蛋白質(zhì)和基因水平[6]。DNA是基因表達過程的起點，DNA的結(jié)構(gòu)和功能也預(yù)示著DNA分子具有時間生物學(xué)特性，這一特性是細胞代謝乃至人體內(nèi)代謝呈現(xiàn)周期性更替的基礎(chǔ)。

1 DNA合成通路存在時間節(jié)律特征

RNA和DNA是細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)。DNA是遺傳信息的載體，也是細胞內(nèi)基因表達的起點；RNA承擔(dān)遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成等功能，僅在病毒中，RNA可以作為遺傳信息載體。DNA和RNA在組成成分上存在差別。①核糖差異：核糖是構(gòu)成RNA的物質(zhì)基礎(chǔ)；脫氧核糖是構(gòu)成DNA的物質(zhì)基礎(chǔ)。②堿基差異：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)是構(gòu)成RNA的堿基；腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)是構(gòu)建DNA的堿基。

細胞中，脫氧核糖核苷酸合成是以核糖核苷酸合成通路為基礎(chǔ)進行了相應(yīng)延伸。細胞通過磷酸戊糖途徑合成5-磷酸核糖，具體途徑為：6-磷酸葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯→6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸核糖[7]。

5-磷酸核糖進入從頭合成途徑或者補救合成途徑合成核糖核苷酸。合成脫氧核糖核苷酸的代謝通路是通過核糖核苷酸還原酶催化4種二磷酸核糖核苷酸(NDP)生成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸(dNDP)，該酶是DNA合成和修復(fù)的關(guān)鍵酶和限速酶[8]。RNA合成需要尿嘧啶核苷酸，DNA合成需要脫氧胸腺嘧啶核苷酸(dTMP)。在細胞中，dTMP是由脫氧尿嘧啶核苷酸經(jīng)甲基化生成，反應(yīng)由胸苷酸合成酶催化，并由N5, N10-甲烯四氫葉酸提供甲基(來源于一碳單位代謝)[9]。脫氧核糖和dTMP合成通路顯示dNDP的合成通路要比核糖核苷酸的合成通路復(fù)雜，且位于整個合成通路的末端。猜測核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶可能存在活性耦聯(lián)現(xiàn)象，同時開放或者阻斷DNA的合成。

DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)上存在區(qū)別： RNA以磷酸核糖作為分子骨架， DNA以磷酸脫氧核糖作為分子骨架，RNA分子骨架中不會混入磷酸脫氧核糖，DNA分子也不會混入磷酸核糖。這表明細胞已經(jīng)構(gòu)建多重核糖和脫氧核糖識別機制，保證RNA和DNA分子骨架上的差異。DNA依賴的RNA聚合酶和DNA聚合酶具有相應(yīng)的識別功能[10-12]。推測核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶也可能在核糖識別機制中發(fā)揮著重要作用：在DNA合成過程中，核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶耦聯(lián)活化，促使NDP轉(zhuǎn)化成為dNDP，增加dNDP與NDP濃度差值，保證DNA合成單純性；在RNA合成過程中，核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶耦聯(lián)失活，阻斷dNDP合成，確保dNDP不混入RNA合成中。推測RNA合成過程中存在dNDP降解增強的現(xiàn)象，即dNDP降解形成堿基和脫氧核糖，堿基進入補救途徑用于合成RNA，磷酸脫氧核糖則可能進入氧化通路氧化降解。dNDP合成通路上兩個關(guān)鍵酶活性周期性變化就導(dǎo)致DNA合成出現(xiàn)節(jié)律性變化。

2 DNA功能具有時間節(jié)律性特征

DNA是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子，磷酸脫氧核糖鏈構(gòu)建了分子的外在骨架，堿基排列順序編碼遺傳信息。雙螺旋的兩股單鏈走向相反，堿基按照互補配對原則通過氫鍵進行連接配對。DNA分子具有存儲、傳遞和轉(zhuǎn)錄遺傳信息的功能，三種功能不能被同時執(zhí)行。合理推測如下：DNA存儲遺傳信息時，DNA雙鏈處于閉合狀態(tài)；DNA通過半保留復(fù)制方式傳遞遺傳信息，此時DNA將處于一定程度的解鏈狀態(tài)，DNA依賴的DNA聚合酶處于激活狀態(tài)，dNDP的合成通路處于開放狀態(tài)，核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶處于活化狀態(tài)，為DNA復(fù)制提供底物；DNA轉(zhuǎn)錄時，部分DNA鏈處于開鏈狀態(tài)，DNA依賴的RNA聚合酶活化，dNDP的合成通路為關(guān)閉狀態(tài)，核糖核苷酸還原酶和胸苷酸合成酶處于失活狀態(tài)。

堿基之間的氫鍵是維持DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。DNA處于閉鏈狀態(tài)時，堿基之間的氫鍵形成，維持DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。氫鍵遭到破壞后，DNA將開始解鏈，此時DNA要么進入復(fù)制狀態(tài)，要么進入轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。氫鍵的形成同溫度相關(guān)，低溫條件有利于氫鍵形成，而高溫容易破壞氫鍵。高溫促使DNA解鏈，推動DNA進入復(fù)制或者轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，而低溫條件促使DNA處于閉合狀態(tài)。從理論上推測，午后的溫度相對較高，細胞中的DNA處于解鏈狀態(tài)，而夜間溫度相對較低，DNA就更容易處于閉鏈狀態(tài)；夏季溫度較高，冬季溫度偏低，DNA在夏季更容易解鏈而冬季則更容易處于閉鏈狀態(tài)。DNA分子隨溫度變化形成的閉鏈和開鏈狀態(tài)就形成DNA的時間節(jié)律性，如日節(jié)律和年節(jié)律。

處于閉鏈狀態(tài)的DNA有利于DNA抗損傷修復(fù)。DNA分子在物理因素和化學(xué)因素的影響下會出現(xiàn)損傷，包括點突變、缺失、插入、轉(zhuǎn)位和雙鏈斷裂等[13-15]。比較DNA三種功能狀態(tài)后可以推測，轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的DNA最容易出現(xiàn)損傷。轉(zhuǎn)錄是以DNA編碼鏈為模板，合成RNA，此時編碼鏈同轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白結(jié)合，非編碼鏈處于游離狀態(tài)，缺乏組蛋白保護，這就使得非編碼鏈更容易遭受損傷。在RNA合成過程中，為了保證RNA鏈的單純性，核糖和堿基的識別機制必然處于開啟狀態(tài)，dNDP的合成通路有可能處于閉鎖狀態(tài)，核糖核苷酸還原酶、胸苷酸合成酶以及DNA聚合酶都可能處于失活狀態(tài)。游離鏈遭受損傷后，抗損傷修復(fù)機制難以及時啟動，損傷容易保留下來并影響編碼鏈，形成基因突變。處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的DNA多是維持細胞結(jié)構(gòu)和執(zhí)行細胞功能的必要基因，這些基因長期處于開放狀態(tài)就會增加損傷和突變概率，加速編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能改變。突變發(fā)生在與細胞分化、細胞功能相關(guān)性基因，細胞分化將受阻，細胞出現(xiàn)原始化甚至癌變。細胞內(nèi)存在DNA抗損傷修復(fù)機制，這些機制包括了光復(fù)活、切除修復(fù)、重組修復(fù)以及SOS修復(fù)等[16-18]。修復(fù)機制必須具備的條件包括：閉鏈狀態(tài)的DNA；DNA聚合酶活化；開放的dNDP合成通路。這也意味著閉鏈狀態(tài)和DNA復(fù)制狀態(tài)更有利于DNA的損傷修復(fù)。DNA的功能和結(jié)構(gòu)隨環(huán)境溫度呈現(xiàn)時間節(jié)律特征，低溫狀態(tài)更有利于DNA損傷修復(fù)，且修復(fù)只能在有限時間窗口內(nèi)進行，相對高溫易造成損傷和突變。

3 DNA分子時間生物學(xué)特性及其臨床意義

根據(jù)DNA分子結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能和合成通路的理化特征，可以推測DNA分子日節(jié)律演化規(guī)律。地球自轉(zhuǎn)形成日周期，并使得環(huán)境溫度呈現(xiàn)周期性變化，隨之而來的是DNA解鏈難易程度出現(xiàn)周期性變化和細胞代謝狀態(tài)的周期性變化。

夜間溫度低，有利于氫鍵形成，DNA容易處于閉鏈狀態(tài)。DNA損傷被識別，并啟動損傷修復(fù)機制；此時dNDP 的合成通路將處于開放狀態(tài)；閉鏈狀態(tài)的DNA不進行轉(zhuǎn)錄和翻譯，蛋白質(zhì)合成下降、更新減緩，細胞功能下降并逐漸進入休眠狀態(tài)。

從深夜到中午這段時間，環(huán)境溫度逐漸上升，氫鍵逐漸傾向于解離，DNA解鏈變得容易而逐漸開鏈，推動轉(zhuǎn)錄和翻譯。細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成增加，細胞代謝和功能也逐漸增強。中午溫度達到頂峰，氫鍵形成最為困難，轉(zhuǎn)錄和翻譯過程會再次受到影響(轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中氫鍵起著重要作用)，蛋白合成減緩，細胞代謝下降，這或許是人體午后疲乏的原因。午后隨著溫度下降，氫鍵逐漸容易形成，此時再次形成有利于蛋白質(zhì)合成的時間窗口。隨著溫度進一步降低，DNA將逐步恢復(fù)閉鏈狀態(tài)，蛋白質(zhì)合成時間窗口也將逐漸關(guān)閉，細胞也就進入周期性休眠狀態(tài)，并開始進行DNA損傷檢查和修復(fù)。在日節(jié)律中，上午和下午都存在有利于RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的時間窗口，這兩個時間窗口中的環(huán)境溫度變化方向完全相反，轉(zhuǎn)錄和翻譯的蛋白質(zhì)性質(zhì)也應(yīng)該有所不同。理論上推測，上午時間窗口有利于細胞功能發(fā)揮，而下午的時間窗口趨向DNA合成和損傷修復(fù)。

DNA復(fù)制是細胞繁殖過程中的重要過程。DNA復(fù)制同氫鍵的形成和dNDP的合成通路密切相關(guān)。在DNA的復(fù)制過程中，DNA僅需要開鏈一次。復(fù)制完成后，新鏈同母鏈形成閉合雙鏈。相對偏低的溫度有利于DNA復(fù)制，合成過程中需要dNDP作為底物，dNDP的合成通路處于開放狀態(tài)。DNA復(fù)制和損傷修復(fù)過程在時間上存在承接關(guān)系。這些預(yù)示著在日周期中，晚間到午夜前存在一段有利于DNA復(fù)制和修復(fù)時間窗。在這個時間窗內(nèi)，DNA先復(fù)制，然后進入損傷修復(fù)狀態(tài)；不進行分裂的細胞可能在這個時間窗內(nèi)直接啟動 DNA損傷修復(fù)機制。

DNA日節(jié)律對人體生理功能有影響，如人體的睡眠覺醒周期。人體休眠時間同DNA復(fù)制和修復(fù)時間相重疊，睡眠期間各種生理功能下降到最低狀態(tài)，這種狀態(tài)應(yīng)該同細胞內(nèi)DNA轉(zhuǎn)錄下降相關(guān)。良好的睡眠節(jié)律，尤其在DNA復(fù)制和修復(fù)的時間窗內(nèi)進行休息則可以促使細胞對DNA進行充分抗損傷修復(fù)，減少基因突變發(fā)生率[19]。在這一時間窗口內(nèi)進行強烈的生理活動將使得細胞喪失DNA復(fù)制和抗損傷修復(fù)的最佳時間窗口而導(dǎo)致突變積累，進而導(dǎo)致相應(yīng)蛋白質(zhì)功能下降甚至喪失，細胞特定功能下降甚至喪失，人體也可能進入病態(tài)[5,20]。2021年的研究表明，夜間工作會使人更容易出現(xiàn)DNA損傷，降低對DNA損傷的修復(fù)效率[21]。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能同DNA時間節(jié)律特征和錯失DNA修復(fù)時間窗口密切相關(guān)。

DNA日節(jié)律特征也為抗病毒治療提供了新的思路。合理推測是在DNA合成期間，RNA合成受到抑制， RNA病毒因缺乏底物而無法繁殖，甚至更容易被殺滅。相反，這個時間窗口是DNA病毒復(fù)制的最佳時間。在DNA轉(zhuǎn)錄期間，dNDP合成通路是處于關(guān)閉狀態(tài)，這對DNA病毒形成抑制，卻有利于RNA病毒的復(fù)制。在細胞周期的大多數(shù)時間里，dNDP處于封閉狀態(tài)， RNA病毒更容易獲得復(fù)制機會，而DNA病毒復(fù)制機會有限。對逆轉(zhuǎn)錄病毒而言，宿主細胞DNA復(fù)制或者抗損傷修復(fù)初期時是進行逆轉(zhuǎn)錄的最佳時間，錯過這個時間窗口可能因病毒RNA降解而無法進行逆轉(zhuǎn)錄。病毒這種與時間相關(guān)的繁殖特征或許為臨床用藥提供新的思路。

4 展望

從DNA結(jié)構(gòu)、功能和合成通路的特征可以推測出DNA分子日節(jié)律中的規(guī)律，并利用這一規(guī)律解釋很多生理現(xiàn)象，但仍有疑問有待闡述，如DNA合成過程有先導(dǎo)鏈合成。先導(dǎo)鏈?zhǔn)荝NA鏈，先導(dǎo)鏈?zhǔn)怯蒖NA向DNA合成切換的表現(xiàn)，此時RNA合成并未完全封閉而DNA合成也并沒有完全開啟，一旦dNDP的合成通路處于完全開放，先導(dǎo)鏈的合成將會停滯。另外，在DNA合成過程中是否仍由三磷酸腺苷(ATP)供能，或者細胞采用何種機制識別脫氧三磷酸腺苷(dATP)和ATP，避免ATP混入DNA合成，以及 DNA時間生物學(xué)特征同時間蛋白之間關(guān)系都值得思考。

總之，DNA結(jié)構(gòu)和功能性特征使得DNA具有基本的時間生物學(xué)特征，這一特征同溫度周期性變化密切相關(guān)。從新型代謝模型上看，DNA時間生物學(xué)特性還受到周期性攝取能量物質(zhì)以及其他因素的影響，這需要更為深入的研究。遵從DNA時間生物學(xué)特征將更有利于認識疾病形成病因，形成新的治療方案[22-23]。