康琳

1945年，杰弗里·霍爾出生于美國紐約。2017年10月2日，他因解開了晝夜節(jié)律機制的奧秘而獲得了諾貝爾獎，當時他是美國緬因大學的退休教授。在談到這次獲獎時，他說：“是的，沒錯。在我還沒退休的時候，我的工作內(nèi)容大半的確與生物節(jié)律有關。如果說我們真的取得了一些研究成果的話，這應該是最著名的成果之一了。我和羅斯巴什在20世紀80年代中期就開始了不懈的合作，還有那些我稱為實際調(diào)查員的人們，比如學生、博士后研究員，每一天都在緊密合作。這讓我感到很愉快，因為兩個實驗室都不是孤立的，我們都得到了對方的很多支持?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/11/07/fdts201711fdts20171111-1-l.jpg" style="">

在霍爾看來，這次的諾貝爾獎還有第四位重要的獲獎者——“小果蠅”，并認為它作為生物模型的力量再次得到了證實?；魻栒f：“當我還是研究生時學過一個短語，叫作‘果蠅法則。當我們追溯到20世紀90年代、40年代、20年代，或者說向后展望時，我們會發(fā)現(xiàn)這只是一個十億分之一的例子：對一個看似與我們無關的生命體所做的基礎研究，可能會產(chǎn)生更為深遠的意義，甚至超過生命體本身。對果蠅的研究就是這樣，幾十年甚至超過一個世紀以來都做出了重要的貢獻?！?/p>

不錯，杰弗里·霍爾及其同事研究的就是果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的功能。他們的許多研究方法涉及行為的遺傳學研究，并通過對某些由行為突變決定的基因進行分子操作來增強這些行為。他們的研究分為兩個方面。

求偶行為的分子神經(jīng)遺傳學研究

果蠅的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是如何控制果蠅的生殖行為的？杰弗里·霍爾及其同事的早期研究涉及識別成年果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的相關部分，方法包括使用“性別馬賽克”、破壞這些組織以及使用在中樞神經(jīng)遞質(zhì)的代謝中有缺陷的突變體乙酰膽堿。

他們的主要精力放在對求偶行為突變體的研究上。這一突變體是由Fru基因座的遺傳變化決定的，會導致雄性不與雌性交配，并且與其他雄性進行交配。Fru基因與行為異常綜合征一樣復雜。杰弗里·霍爾及其同事希望通過在分子層面上識別Fru基因來解開其中的一些復雜性。他們的研究成果和其他關于不育基因及其突變體的神經(jīng)生物學發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)證明了這個因素在果蠅的“性別決定等級”（SDH）中起作用，并且定義了一個新的研究分支。在這種情況下，F(xiàn)ru基因像某些SDH基因一樣編碼了轉(zhuǎn)錄因子。他們還發(fā)現(xiàn)，在某些表達出雄性特有的Fru蛋白質(zhì)的神經(jīng)元中，

5-羥色胺的產(chǎn)生是由該基因的作用調(diào)節(jié)的。此外，5-羥色胺神經(jīng)調(diào)節(jié)劑似乎可以調(diào)節(jié)雄性生殖器官的功能，這一功能在某些Fru基因突變體中受到了顯著的干擾。

另外兩種求偶行為突變體由于異常的雄性“歌唱”行為而被分離出來，即發(fā)出刺耳聲音（cac）和不和諧聲音（diss）的雄性會在向雌性振動翅膀時產(chǎn)生異常的聲音。為了理解這些特殊的求愛歌曲是如何被編程的，杰弗里·霍爾及其同事對變異和正常聲音進行了高分辨率的分析。對cac和diss基因座的研究具有與Fru基因研究類似的復雜性。例如，互補分析和分子表達評估表明，這兩種歌曲的基因都參與了成年果蠅的視覺調(diào)節(jié)反應（行為上和生理上的），cac的基因編碼了由電壓調(diào)節(jié)的鈣通道（1個亞基）， 這至少使cac突變體中的求偶歌曲缺陷得到了合理的解釋；diss突變最初是由視覺突變體決定的，并編碼了一種結(jié)合了核糖核酸的蛋白質(zhì)（NONA）。杰弗里·霍爾及其同事假設NONA對初級cac轉(zhuǎn)錄物的轉(zhuǎn)錄后處理有影響，從而發(fā)現(xiàn)信使核糖核酸（mRNA）的確有幾種不同的亞型，這是由不同的剪接和核糖核酸剪輯造成的。

雄性果蠅在求偶歌曲中產(chǎn)生的音調(diào)脈沖頻率在有節(jié)奏地變化，循環(huán)持續(xù)時間很短，從30秒至90秒不等，這取決于物種。比如黑腹果蠅，其周期基因座的晝夜節(jié)律突變引起了歌曲節(jié)奏異常，這與日常節(jié)律表型的缺陷類似。這些歌曲的發(fā)現(xiàn)為科學界對生物節(jié)律進行更廣泛的研究打開了大門。

生物節(jié)律的分子神經(jīng)遺傳學研究

在布蘭迪斯大學，杰弗里·霍爾與邁克爾·羅斯巴什合作，通過分析周期基因開始了對晝夜節(jié)律的分子研究。在接受電話采訪時，霍爾說，這在很大程度上是由于他們從一開始就私交甚密。他們的研究興趣大多在遺傳學領域，這是顯而易見的。認識不到10年，他們就開始一起做研究了，覺得他們的背景和技能也許能夠互補。霍爾說：“能擁有這樣的關系，關鍵原因在于我們私下就很親密。我們都對體育、搖滾音樂這些通俗文化感興趣，所以我們花很多時間一起狂歡，或

者在當?shù)氐捏w育場里一塊兒坐著發(fā)愁。即使是在晝夜節(jié)律之前的研究當中，我們也有很多相似的興趣——他是分子遺傳學家，而我是如假包換的果蠅遺傳學家?！?0世紀90年代，他們的研究擴展到了分子和神經(jīng)生物學實驗，并發(fā)現(xiàn)了果蠅中五個額外的與節(jié)律相關的基因，分別是永恒tim）、生物鐘（Clk）、循環(huán)（cyc）、隱花色素（cry）、色素分散因子（pdf）。這些分子—神經(jīng)—時間生物學研究涉及以下方面：

☆基因信息內(nèi)容的確定和操作（用于生物測定）；

☆生物鐘基因的體外操作或部分的體外操作——部分是為了評估這些基因在生命周期的不同階段以及各種神經(jīng)和非神經(jīng)組織中的表達模式；這些研究包括了對果蠅行為生理節(jié)律的神經(jīng)起搏器細胞的實驗識別；

☆對節(jié)律起搏器的環(huán)境投入研究，部分由cry功能介導（主要涉及藍光接收，但似乎也與起搏器實際操作相關），也可能由Clk和cyc基因介導（這些是主要的生物鐘因素，但突變體在日常節(jié)律中也表現(xiàn)出異常的光反應）；

☆pdf基因操作，在果蠅中并不會編碼出字面意思上的色素分散因子，而是一種僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的寡肽；這些實驗第一次近似地顯示了pdf基因是如何參與生物鐘的輸出功能的，這些功能是果蠅睡眠—蘇醒周期的基礎；

☆對相近和相遠的果蠅物種中的生物鐘基因的結(jié)構與功能進行了比較；這些數(shù)據(jù)表明在不同物種之間，某些編碼區(qū)域是高度保守的，另一些則存在很大的差異。這些發(fā)現(xiàn)促成了不同物種間的轉(zhuǎn)移實驗，在這些實驗中，全部或部分供體物種的周期基因作用已經(jīng)在黑腹果蠅宿主中進行了生物測定。

為了確定有助于晝夜起搏機制的、與生物鐘相關的其他基因，杰弗里·霍爾及其同事一直在尋找新的節(jié)律變體。檢測這些因素的方法之一是測試攜帶轉(zhuǎn)基因的果蠅，他們將部分生物鐘基因與記錄因子——螢火蟲熒光素酶（luc）——融合到一起。這使得周期和永恒基因控制的分子節(jié)律能夠被實時追蹤，科學家可以在幾天內(nèi)單獨監(jiān)控進行“發(fā)光循環(huán)”的果蠅。對有分子缺陷的節(jié)律變體進行基于luc的篩選，初步結(jié)果包括發(fā)現(xiàn)了tim基因座的兩種新突變以及一種新的時間生物

學因子cry。

延伸閱讀

生物鐘是生物體內(nèi)的一種無形的“時鐘”，實際上是生物體生命活動的內(nèi)在節(jié)律性，由生物體內(nèi)的時間結(jié)構序決定。生物鐘有四點功能，即提示時間、提示事件、維持狀態(tài)和禁止功能。與之相對應，在人的大腦里有四個中樞：時間中樞、空間中樞、功能中樞和終止中樞。這聽起來有點像開汽車：人什么時候上車，開車到哪里，踩多久的油門，到達后的一腳剎車。

生物鐘的遺傳實質(zhì)是生物鐘上記塊的釋放，進化的實質(zhì)是染色體的變異，退化的實質(zhì)是染色體功能的關閉。由此看來，生物鐘具有兩面性：器質(zhì)性和功能性。器質(zhì)性決定器官的性質(zhì)，主要是決定器官的大小、形狀和細胞數(shù)量，功能性決定器官功能的發(fā)揮程度、功能的有無、分泌功能物（如各種酶和素）的多少。

通過研究生物鐘，如今已產(chǎn)生了時辰生物學、時辰藥理學和時辰治療學等新學科?？梢?，研究生物鐘，在醫(yī)學上有著重要的意義，并對生物學的基礎理論研究起著促進作用。