生物鐘基因調(diào)控機(jī)制與晝夜節(jié)律在近視發(fā)展中的研究進(jìn)展

晏 鑫,邢 凱,亢澤峰,孫宏睿,曹珂兒,王健全

隨著社會(huì)的發(fā)展,近視的發(fā)病率逐年上升,近視人群逐年增加,已經(jīng)成為一個(gè)重大的公共衛(wèi)生問題,因此對(duì)近視的發(fā)病機(jī)制和防控措施的研究迫在眉睫。近年來對(duì)生物鐘在近視發(fā)展中起到的作用逐漸引起學(xué)者們的興趣,現(xiàn)本文從生物鐘在近視發(fā)展中對(duì)眼軸、視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜的影響,當(dāng)代社會(huì)與生物鐘紊亂角度做一簡單的綜述,以期為近視發(fā)病機(jī)制以及防控措施的研究提供新的思路。

?KEYWORDS：biological clock; circadian rhythm; myopia; axial length; choroid

0引言

目前,近視是世界范圍內(nèi)造成視力障礙的主要原因,特別是亞太和北美等地區(qū)尤其嚴(yán)重[1]。據(jù)預(yù)測(cè)到2050年全世界近視人口將達(dá)到47.58億,且高度近視將達(dá)到9.38億[2]。近年來近視已成為兒童青少年視力障礙的主要原因,引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注,但對(duì)于其內(nèi)在機(jī)制仍不十分明確。長期以來的觀點(diǎn)認(rèn)為,近視是一種既有環(huán)境因素又有遺傳因素的疾病。隨著人類基因組計(jì)劃的逐步完成,人們發(fā)現(xiàn)有一類基因可以調(diào)控機(jī)體的生物節(jié)律,這一類基因被稱為生物鐘基因。有研究提出近視的發(fā)病機(jī)制和臨床表現(xiàn)具有晝夜變化的特點(diǎn)[3],生物鐘基因表達(dá)的改變不僅參與近視的病理生理過程,還可能是近視預(yù)防和治療的重要靶點(diǎn)。因此,深入探究生物鐘與近視的關(guān)系可為近視的防治提供新的思路。

1 生物鐘基因及其調(diào)控機(jī)制

生物體內(nèi)存在一種約24h的周期性振蕩,即晝夜節(jié)律,而控制這一節(jié)律的系統(tǒng)稱為生物鐘[4]。哺乳動(dòng)物的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)中樞位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN),作為腦時(shí)鐘充當(dāng)主起搏器,同步或夾帶分布在全身的外周時(shí)鐘。SCN接收來自視網(wǎng)膜的光并同步神經(jīng)元的核心時(shí)鐘振蕩,然后將其轉(zhuǎn)化為振蕩性突觸輸出到下丘腦和其他地方的多個(gè)核團(tuán)。SCN的消融導(dǎo)致這些模式的神經(jīng)元活動(dòng)喪失,以及多數(shù)組織中時(shí)鐘基因振蕩連貫的晝夜節(jié)律的喪失,最終導(dǎo)致行為和生理性全身節(jié)律失常。SCN時(shí)鐘還受光亮度周期變化的影響,并在這種環(huán)境中調(diào)節(jié)外周晝夜節(jié)律的變化[5]。

生物鐘由基于轉(zhuǎn)錄翻譯的自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋回路組成[6]。研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的細(xì)胞都表達(dá)生物鐘基因[7]。哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律時(shí)鐘的分子機(jī)制是由細(xì)胞自主轉(zhuǎn)錄自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋環(huán)產(chǎn)生的?！昂诵摹睍r(shí)鐘基因包括編碼激活子的Clock和BMAL1,以及編碼抑制子的PER1、PER2、CRY1和CRY2[8]。生物鐘基因在視網(wǎng)膜中同樣廣泛表達(dá),但由于視網(wǎng)膜是一種高度異質(zhì)的組織,在不同的細(xì)胞類型及不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)中表達(dá)不同。有研究發(fā)現(xiàn)在大鼠視網(wǎng)膜中,PER1 mRNA在光感受器中的表達(dá)水平較低,而在視網(wǎng)膜內(nèi)部神經(jīng)元中較高[9]。在BMAL1和Clock mRNA中同樣觀察到類似的模式[10]。Song等[11]發(fā)現(xiàn)Clock和BMAL1的表達(dá)在亮光環(huán)境出現(xiàn)峰值,PER1和PER3在黑暗時(shí)達(dá)到峰值,并且發(fā)現(xiàn)Clock/BMAL1與PERS的同相振蕩和節(jié)律性表達(dá)不會(huì)發(fā)生在其他組織中,包括SCN,據(jù)此提出光感受器細(xì)胞的生物鐘在組織結(jié)構(gòu)和分子組分的節(jié)律性都是獨(dú)一無二的。

哺乳動(dòng)物的生物鐘系統(tǒng)公認(rèn)模型有兩個(gè)轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán),涉及多個(gè)“時(shí)鐘基因”及其蛋白質(zhì)產(chǎn)物,最終調(diào)節(jié)其他被稱為時(shí)鐘控制基因的基因轉(zhuǎn)錄。這些反饋回路由正負(fù)分量組成。正性成分包括堿性螺旋-環(huán)-螺旋-PAS結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子、時(shí)鐘和BMAL1。這些轉(zhuǎn)錄因子異源二聚并與E-box啟動(dòng)子元件結(jié)合,從而增強(qiáng)編碼負(fù)性成分PER1、PER2和CRY1、CRY2基因的轉(zhuǎn)錄。PER和CRY蛋白質(zhì)反饋通過阻斷Clock/BMAL1介導(dǎo)的反式激活抑制PER和CRY基因的轉(zhuǎn)錄。第二個(gè)反饋回路通過Clock/BMAL1對(duì)Rev-Erbα、Rev-Erbβ和Rora基因的反式激活。這些基因的蛋白產(chǎn)物與BMAL1啟動(dòng)子中的元件競爭結(jié)合,驅(qū)動(dòng)BMAL1轉(zhuǎn)錄的節(jié)律。生物鐘通過BMAL1/Clock復(fù)合物直接控制節(jié)律性轉(zhuǎn)錄,該復(fù)合物與DNA E-box結(jié)合,DNA E-box存在于這些基因的啟動(dòng)子區(qū)域,最終調(diào)節(jié)生理功能[12]。生物鐘分子機(jī)制示意圖見圖1[13]。

圖1 生物鐘分子機(jī)制。

2 視覺環(huán)境、多巴胺、生物鐘基因及晝夜節(jié)律對(duì)眼球發(fā)育的影響

2.1視覺環(huán)境對(duì)眼球發(fā)育的影響Weiss等[14]發(fā)現(xiàn)剝奪眼睛的視覺形態(tài),可導(dǎo)致眼軸過度延長進(jìn)一步發(fā)生近視,并且改變了眼軸生長的節(jié)律,即眼軸并非在夜間變短,而是在夜間和白天同樣生長。然而,盡管形覺剝奪的眼睛的確在夜間生長得更快,但眼軸生長的節(jié)律并沒有被廢除,每隔6h進(jìn)行一次測(cè)量,結(jié)果顯示節(jié)律完整,但具有數(shù)小時(shí)的移位[15]。眼球生長速度與節(jié)律的改變之間存在聯(lián)系的更有力證據(jù)是,通過使用凸透鏡進(jìn)行近視離焦減緩生長速度,可導(dǎo)致眼軸生長節(jié)律的波動(dòng)相延遲和脈絡(luò)膜節(jié)律提前,從而使兩個(gè)節(jié)律同步,而在配戴凹透鏡的眼睛中,可以觀察到眼軸和脈絡(luò)膜節(jié)律與形覺剝奪眼的節(jié)律相似[16]。來自眼睛以不同速度生長與形覺剝奪或散焦的數(shù)據(jù)顯示,生長速度與眼軸和脈絡(luò)膜節(jié)律之間的波動(dòng)相位差之間存在顯著正相關(guān)[17]。

2.2多巴胺對(duì)眼球發(fā)育的影響多巴胺是一種重要的視網(wǎng)膜神經(jīng)調(diào)節(jié)劑,調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、視覺功能的不同方面,以在不同光照條件下獲得最佳視網(wǎng)膜敏感性。多巴胺的合成和釋放發(fā)生在多巴胺能無長突細(xì)胞的一個(gè)亞群中,并受到視網(wǎng)膜ON-OFF通路視覺傳輸?shù)拇碳18]。

在雛雞和哺乳動(dòng)物模型中,多巴胺是少數(shù)與形覺剝奪近視相關(guān)的生化信號(hào)之一[19]。形覺剝奪導(dǎo)致多巴胺水平下降,可能是由于多巴胺生物合成減少,并非多巴胺能無長突細(xì)胞數(shù)量減少引起[20]。此外,多巴胺和多巴胺受體激動(dòng)劑以劑量依賴性減少形覺剝奪實(shí)驗(yàn)性動(dòng)物模型眼軸延長[21]。通過藥物或基因敲除干預(yù)降低小鼠視網(wǎng)膜多巴胺會(huì)在正常環(huán)境條件下發(fā)生近視[22]。然而,多巴胺信號(hào)在屈光發(fā)育和近視中的作用是復(fù)雜的,目前尚無明確研究指出多巴胺與近視發(fā)展的具體內(nèi)在機(jī)制,并且不同多巴胺受體所產(chǎn)生的效應(yīng)也不盡相同,但多巴胺在近視發(fā)展中的重要作用已被公認(rèn),可將其作為重要靶點(diǎn)進(jìn)一步深入研究。

2.3生物鐘基因及晝夜節(jié)律對(duì)眼球發(fā)育的影響

2.3.1眼軸的變化近視發(fā)生的機(jī)制尚不十分明確,但眼軸的進(jìn)行性延長促進(jìn)近視的發(fā)展是較為公認(rèn)的機(jī)制之一[23]。Weiss等[14]最先報(bào)道了24h眼軸長度的變化,發(fā)現(xiàn)雛雞的眼軸白天長,夜間逐漸縮短。這一發(fā)現(xiàn)得到了后續(xù)研究的證實(shí)和擴(kuò)展[24],有研究通過更頻繁的測(cè)量表明,眼軸最長的時(shí)間段發(fā)生在下午,午夜眼軸最短[16]。隨后在靈長類動(dòng)物也發(fā)現(xiàn)了這種生物節(jié)律,在幼年絨猴中,眼軸的這種日間周期變化與雛雞相似,眼軸長度在白天達(dá)到峰值,而在夜間縮短,并且發(fā)現(xiàn)夜間眼軸縮短是由于脈絡(luò)膜增厚所致[25]。Stone等[26]研究發(fā)現(xiàn),將小鼠BMAL1基因特異性敲除后可以誘導(dǎo)小鼠發(fā)生近視,并延長眼軸長度。Sánchez-Bretao等[27]研究提出E-box介導(dǎo)的Clock/BMAL1復(fù)合物可以通過調(diào)控1型腺苷環(huán)化酶的轉(zhuǎn)錄,從而調(diào)控眼部的晝夜節(jié)律,同時(shí)1型腺苷環(huán)化酶啟動(dòng)子的活性由晝夜節(jié)律通過調(diào)控Clock/BMAL1復(fù)合物進(jìn)行調(diào)節(jié),從而影響眼軸的24h動(dòng)態(tài)變化。目前的研究僅從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中觀察到眼軸隨著晝夜節(jié)律進(jìn)行變化,那是否人類同樣存在相應(yīng)的眼軸變化,變化量是多少,這種內(nèi)在的生物鐘基因表達(dá)變化及相應(yīng)的作用機(jī)制也尚不明確,是否可以通過生物節(jié)律的外在干預(yù)延緩近視發(fā)展,以及具體干預(yù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也都還需要今后進(jìn)一步深入研究。

2.3.2視網(wǎng)膜及脈絡(luò)膜的變化目前對(duì)于近視發(fā)病機(jī)制的研究并不明確,但眼軸延長會(huì)給視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜施加機(jī)械性壓力,導(dǎo)致視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜厚度發(fā)生變化。Riddell等[28]采用高頻超聲檢查和非接觸式激光干涉測(cè)量發(fā)現(xiàn)雛雞的脈絡(luò)膜厚度也出現(xiàn)晝夜節(jié)律,夜間增厚,白天變薄,與眼軸的變化節(jié)律同步,即在白天眼軸最長的時(shí)間脈絡(luò)膜厚度也是最薄,推測(cè)夜晚眼軸縮短有一部分原因是由于夜間脈絡(luò)膜增厚所致。目前對(duì)于人眼脈絡(luò)膜厚度的研究很少,Ulaganathan等[29]對(duì)現(xiàn)有的非接觸式激光干涉測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析同樣發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)膜在夜間最厚,白天最薄,平均晝夜波動(dòng)幅度約30μm。Blasiak等[30]對(duì)雛雞視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),暴露于明暗循環(huán)的細(xì)胞時(shí)鐘基因呈節(jié)律性表達(dá)。Bmal1和生物節(jié)律分子Npas2在白天達(dá)到峰值且在夜間最低,但24h暴露于暗環(huán)境中的細(xì)胞則節(jié)律紊亂。Cry1和Per2 mRNA表達(dá)水平在明暗循環(huán)細(xì)胞中同樣在夜間最低,而處于24h暗環(huán)境的細(xì)胞Per2表達(dá)波動(dòng)幅度降低,褪黑素的表達(dá)則在明環(huán)境時(shí)降低,暗環(huán)境上升。Yang等[31]將非洲爪蟾Clock基因敲除后發(fā)現(xiàn)褪黑素的分泌節(jié)律被破壞,但總體分泌水平?jīng)]有較大改變,據(jù)此提出褪黑素的分泌節(jié)律和分泌水平可以分離,并通過不同的分子機(jī)制控制。根據(jù)上述零星的研究結(jié)果可以得出不同光照條件可能通過影響晝夜節(jié)律從而對(duì)近視的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響,對(duì)于尚處于發(fā)育階段的青少年兒童,還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究現(xiàn)代光線暴露條件和生物鐘節(jié)律的相互作用,以評(píng)估改變節(jié)律是否可以作為控制青少年兒童近視發(fā)展的治療靶點(diǎn)。眼軸長度和脈絡(luò)膜厚度晝夜變化曲線見圖2[16]。

3 當(dāng)代生物鐘紊亂的社會(huì)因素

對(duì)多數(shù)生物來說,光環(huán)境十分重要,24h的晝夜節(jié)律變化幾乎促成了所有生物的生物鐘節(jié)律。但隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展,人造光源已經(jīng)極大地改變了原有的生態(tài)環(huán)境。與自然光源相比,人造光源在亮度、時(shí)間、光譜等方面具有顯著差異。因此,人類的生物鐘節(jié)律會(huì)不可避免地受到影響。白天陽光照射不足、夜間光污染、睡眠剝奪等原因均會(huì)導(dǎo)致生物鐘紊亂[32]。而目前對(duì)于近視影響最大的人造光源就是電子屏幕,而且已經(jīng)證實(shí)夜間觀看電子屏幕會(huì)影響青少年兒童的睡眠,從而導(dǎo)致生物鐘紊亂[33]。但夜間觀看電子屏幕加速近視發(fā)展是否可以從生物鐘角度來解釋還需進(jìn)一步研究。眼瞼作為光線過濾器,不能完全隔絕所有光線,因此在夜間處于光污染的環(huán)境中,光線仍然可以到達(dá)視網(wǎng)膜光感受器,從而引起生物鐘紊亂[34]。所以目前近視防控工作應(yīng)加強(qiáng)改善光照環(huán)境,增加白天室外活動(dòng),減少夜間光污染,順應(yīng)生物鐘節(jié)律,促進(jìn)眼的健康發(fā)展。

4 不足與展望

生物鐘可以調(diào)控機(jī)體隨外界晝夜節(jié)律的變化而發(fā)生內(nèi)在相應(yīng)變化,其不僅參與近視的病理生理過程,還可能是近視預(yù)防和治療的重要靶點(diǎn),但目前的研究還存在以下不足:(1)研究對(duì)象多為動(dòng)物模型,并且多為嚙齒類動(dòng)物,雖然可以較好地研究病理生理過程,但其活動(dòng)/休息節(jié)律與人類不同,并且相關(guān)生物鐘基因的表達(dá)是否一致仍然存疑;(2)研究數(shù)量很少,且研究大多不夠深入,難以明確生物鐘基因影響近視的真實(shí)內(nèi)在機(jī)制。在今后的研究中還需進(jìn)一步深入探討不同個(gè)體之間的內(nèi)在授時(shí)因子和外在生活環(huán)境的差異,因其均可導(dǎo)致不同的疾病發(fā)展結(jié)局,以明確不同個(gè)體之間生物節(jié)律不同所導(dǎo)致的近視結(jié)果差異。另外,我國中醫(yī)學(xué)早有記載“法于陰陽,和于術(shù)數(shù),飲食有節(jié),起居有?！?并且后世的中醫(yī)學(xué)理論對(duì)于生物鐘具有詳細(xì)深入的論述,因此將中醫(yī)學(xué)“治未病”理論與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物鐘相結(jié)合,可能會(huì)在近視防控工作方面取得更大的成就。