俞強

中國科學院上海藥物研究所，上海 201203

生物鐘：基因和環(huán)境決定的行為
——2017年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎簡介

俞強?

中國科學院上海藥物研究所，上海 201203

2017年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給了三位研究果蠅生物鐘行為的美國科學家——杰弗里?霍爾(Jeffrey C. Hall)、邁克爾?羅斯巴什(Michael Rosbash)和邁克爾?楊(Michael W. Young)，獎勵他們發(fā)現(xiàn)了決定生物鐘行為的基因和這些基因產(chǎn)物的工作原理。生物鐘，也叫生物日節(jié)律或晝夜節(jié)律(circadianrhythm)，是生物以約晝夜24小時為周期的節(jié)律性行為。生物鐘行為是一個在各種動植物中都普遍存在的自然現(xiàn)象。生物鐘基因的發(fā)現(xiàn)和對這些基因產(chǎn)物工作原理的揭示對了解生命和生命的運行原理，特別是對基因、行為和環(huán)境三者之間的關(guān)系有著重要的理論意義，同時也為利用生物鐘原理來解決生產(chǎn)活動和健康醫(yī)療中的生物學問題奠定了應用基礎。

諾貝爾獎；生物鐘；生物節(jié)律；基因；行為

1 三位科學家和他們的貢獻

2017年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的三位獲獎科學家——杰弗里?霍爾(Jeffrey C. Hall)、邁克爾?羅斯巴什(Michael Rosbash)和邁克爾?楊(Michael W. Young)都來自美國，都是以果蠅為材料發(fā)現(xiàn)了果蠅的日節(jié)律基因并闡明了其工作原理。杰弗里?霍爾和邁克爾?羅斯巴什是美國布蘭達斯大學的教授和同事。大部分果蠅生物鐘基因的克隆和研究工作是兩個人共同合作的成果?；魻柺且晃贿z傳學家，終身研究果蠅的行為遺傳學。除了生物節(jié)律，霍爾還研究果蠅的交配行為，是果蠅行為生物學研究領域的開拓者之一和重要的科學家?；魻柕闹饕暙I是和羅斯巴什合作共同克隆了第一個生物鐘基因period(per)，發(fā)現(xiàn)了不同細胞的生物鐘之間的協(xié)調(diào)同步，揭示了Cryptochrome (CRY)，CLOCK 和 Cycle (CYC)蛋白的功能和機理，完善了日節(jié)律分子機理的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯負反饋調(diào)控TTFL(transcription translation negative feedback)模型[1-7]。

邁克爾?羅斯巴什是一位分子生物學家。他除了在生物節(jié)律研究領域做出了重要成績，同時也在酵母的RNA剪切機制研究領域有杰出貢獻。羅斯巴什教授是筆者的博士生導師。筆者1984年進入羅斯巴什的實驗室，見證并參與了生物鐘基因的克隆和鑒定工作。同時也和霍爾實驗室合作，參與了果蠅交配行為和生物鐘關(guān)系的研究工作。羅斯巴什的主要貢獻除了和霍爾合作克隆了第一個生物鐘基因per，還克隆了果蠅的另外兩個生物鐘基因clk和cyc(cycle)，并闡明了它們的功能和機理。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基因表達水平的周期性變化，從而提出了著名的日節(jié)律分子機理的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯負反饋調(diào)控TTFL模型[1-8]。

邁克爾?楊(Michael W. Young)是美國洛克菲勒大學的教授。他早年從事果蠅轉(zhuǎn)座子機制的研究。在聽說果蠅的日節(jié)律基因被發(fā)現(xiàn)后，轉(zhuǎn)而開展了日節(jié)律基因的克隆和機理研究工作至今。楊的主要貢獻是與霍爾和羅斯巴什同時獨立克隆了per基因。其后又克隆了另一個生物鐘基因tim(timeless)，發(fā)現(xiàn)了基因產(chǎn)物TIM和PER蛋白相互作用及功能，并發(fā)現(xiàn)了光對TIM的調(diào)控以及對生物鐘相位的調(diào)控。楊的另一個貢獻是發(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)[9-11]。

除這三位獲獎的科學家之外，還有兩個值得一提同時也是對這項工作作出重大貢獻的科學家是加州理工學院的西摩?本澤(Seymour Benzer，1921—2007)教授和他的學生羅納德?科諾普卡(Ronald Konopka，1947—2015)。本澤教授是最早開展果蠅行為遺傳學研究的科學家，是這個領域的重要開創(chuàng)者，也是杰弗里?霍爾的博士后導師。他和科諾普卡是第一個以果蠅為模型開展生物鐘基因研究的科學家，也是第一個從果蠅中發(fā)現(xiàn)生物鐘突變體和生物鐘基因的人。

2 生物鐘行為和環(huán)境

日節(jié)律(circadian rhythm)，準確地說應該叫近日節(jié)律或近晝夜節(jié)律，是一種以接近晝夜24小時為周期的節(jié)律性生命活動，也就是我們通常所說的生物鐘。例如人的血壓、體溫、體力、情緒等生理指標的律動，以及植物花的開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。

從生物的演化和自然選擇原理來說，地球上所有的生命現(xiàn)象都是大自然對生物適應環(huán)境的演化選擇的結(jié)果。生命從誕生開始，其最簡單的生物分子之間的生物化學反應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都受到地球周期性律動的影響，所有的生物節(jié)律也都是環(huán)境對生物演化的選擇的結(jié)果。因此，生物的節(jié)律性運動是普遍存在的。

圖1 地球環(huán)境鐘

地球最明顯的律動就是圍繞太陽的公轉(zhuǎn)和圍繞自己軸心的自轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)的周期為23時56分4秒，圍繞太陽公轉(zhuǎn)的周期為365.25天(圖1)。地球相對于太陽的旋轉(zhuǎn)律動無時無刻不在影響和控制著地球上生物的一切運動，而太陽是地球上所有生命的能源和動力，生命的運動不能不順從于太陽能源的周期性律動而隨之律動。只有當生命的節(jié)奏與自然環(huán)境，特別是能量供應的節(jié)奏吻合的時候，生命才能夠更好地生存，才能在生物演化的過程中被自然選擇而保存下來。最常見的日節(jié)律就是植物和動物的節(jié)律性晝夜活動。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)料來源于陽光、空氣和水，它們都需要太陽光能來進行光合作用，因此植物的晝夜節(jié)律運動是最普遍也是最明顯的現(xiàn)象。植物的光合作用把太陽光的能量轉(zhuǎn)化成了化學能，植物的化學能又被轉(zhuǎn)化為動物的化學能。生物的食物鏈實際上就是一個能量的傳遞鏈，這條鏈的源頭所吸收的是太陽光的能量。太陽光在地球上的律動導致了地球上食物鏈各個環(huán)節(jié)的律動，因此最普遍和常見的生物鐘就是以晝夜24小時為周期的生物鐘。由于太陽光一方面給生物提供能量，另一方面也對生物的大分子如DNA有損傷作用，因此生物也演化出了為保護生物大分子而躲避強光的生物鐘行為，如動物為避免中午太陽的高溫而在早晨和傍晚覓食的生物鐘行為。類似地，食物鏈上的上下游物種之間也演化出了按時攝食和躲避被食的生物鐘行為。因此，生物鐘的形成是環(huán)境的選擇，環(huán)境選擇了能適應環(huán)境周期性變化的生物周期性行為。

3 生物鐘的發(fā)現(xiàn)和早期研究

對生物鐘的早期研究可分為兩個階段。第一個階段是對生物鐘現(xiàn)象的描述和對其性質(zhì)的研究。早期的代表人物為18世紀的法國天文學家讓-雅克?道托思?麥蘭(Jean-Jacques d’Ortous de Mairan)和法國農(nóng)學家亨利-路易斯?杜哈麥?芒修(Henri-Louis Duhamel du Monceau)，以及19世紀的瑞士植物學家艾爾芬斯?坎道拉(Alphonse de Candolle)。他們從觀察植物葉子的律動中發(fā)現(xiàn)了一個自主的、內(nèi)源性的生物鐘的存在，但他們?nèi)说墓ぷ髟诋敃r并沒有引起科學界的注意。近代對生物鐘廣泛且深入的研究是從20世紀中期開始的。德國生物學家歐文?本林(Erwin Bunning)、尤金?沃爾特?路德維格?阿紹夫(Jürgen Walther Ludwig Aschoff)和美國生物學家科林?皮登覺(Colin Pittendrigh)是生物鐘(也稱時間生物學)研究領域的創(chuàng)始人。本林研究的是植物的葉閉合活動的生物鐘行為；阿紹夫研究的是人的體溫、活動等和鳥類的一些生物鐘行為；而皮登覺研究的則是果蠅運動的生物鐘行為。三個人所研究的生物系統(tǒng)雖然不同，但三個人都總結(jié)出相同的關(guān)于生物鐘的幾個基本特征：

(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小時，而是接近于24小時；

(3)生物鐘具有溫度補償?shù)男阅?，能在不同的溫度條件下保持穩(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。

生物鐘研究的第二個階段是對生物鐘在動物體內(nèi)定位的研究。美國約翰?霍普金斯大學的瑞科特(Curt Paul Richter)在20世紀60年代以大鼠為模型，用手術(shù)的方法在大鼠大腦的各個部位做了200多次實驗后，最終發(fā)現(xiàn)大鼠下丘腦的前端是大鼠生物鐘的中心。后來美國加州大學伯克利分校的朱可(Irving Zucker)教授和他的學生史泰芬(Friedrich Stephan)以及芝加哥大學的莫爾(Robert Moore)教授對下丘腦作了進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大鼠生物鐘的關(guān)鍵元件。當他們?nèi)藶榈負p傷視交叉上核時，大鼠的內(nèi)分泌節(jié)律和行為節(jié)律就喪失，由此判定視交叉上核可能是大鼠生物鐘的起搏器。

最終確定視交叉上核為生物鐘中心的是日本東京大學的井上進一(Shin-Ichi Inouye)和川村宏(Hiroshi Kawamura)。他們直接測量了視交叉上核神經(jīng)細胞在體內(nèi)和體外的電生理活動，發(fā)現(xiàn)視交叉上核神經(jīng)細胞的電生理活動是以24小時為周期的日節(jié)律活動，由此確定了視交叉上核為哺乳動物生物鐘的振蕩器。后來的許多實驗進一步證明，哺乳動物的很多節(jié)律性行為和生理活動，如睡眠、運動、警覺、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。雖然后來的研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)其他許多細胞和組織也都有它們自己的以24小時為周期的生物鐘，但視交叉上核起到了一個調(diào)控和協(xié)調(diào)周圍組織的生物鐘保持同步運行的作用，從而被稱為“主鐘”。視交叉上核一方面是大腦中許多直接從視網(wǎng)膜接受神經(jīng)信號的核之一，通過視網(wǎng)膜下丘腦束從視網(wǎng)膜上的一些光敏神經(jīng)節(jié)細胞中接受信號；另一方面它和大腦的其他許多部分相互作用，將信號傳遞給大腦的其他部位。

4 生物鐘基因的發(fā)現(xiàn)和分子機理研究

對生物鐘的分子機理研究主要是在果蠅中展開的，最早研究果蠅生物鐘行為的科學家是美國加州理工學院的西摩?本澤教授。他和他的學生羅納德?科諾普卡在1971年首先運用遺傳學的方法，用化合物誘導了果蠅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“無周期突變”。有的雖然仍然保持規(guī)律性的運動，但它們的日節(jié)律周期變得長短不一：有的比24小時長，叫“長周期突變”；有的比24小時短，叫“短周期突變”。而且，這些突變的性狀是能夠遺傳的。這些遺傳學實驗揭示了生物鐘基因的存在，首次向科學界證明果蠅的生物鐘行為是基因調(diào)控的。本澤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。當本澤和他的學生科諾普卡發(fā)表關(guān)于果蠅生物鐘突變種的時候，美國布蘭達斯大學的霍爾和羅斯巴什注意到了這一發(fā)現(xiàn)的重大意義，于是他們倆就決定合作來克隆這個果蠅的生物鐘基因。經(jīng)過2年多的努力，羅斯巴什和霍爾的實驗室在1984年從果蠅中克隆到了第一個生物鐘基因：period/per基因[1,8]。與此同時，洛克菲勒大學的邁克爾?楊也克隆到了per基因[6]。繼per基因之后，另外幾個生物鐘元件基因clk、cyc、tim、cry、dou、vri、pdp1、cwo等也相繼被克隆。10 年后，當時在美國西北大學(Northwestern University)的高橋(Joseph Takahashi)又在1994年發(fā)現(xiàn)了小鼠的生物鐘基因clk(clock)，并在1997年克隆了小鼠clk基因，成為發(fā)現(xiàn)哺乳動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，從對現(xiàn)象的描述和對機理的猜測，進入在細胞和分子的水平上解析生物鐘的元件和闡明機理的研究。

經(jīng)過30年的研究，科學家現(xiàn)在對動物中以24小時為周期的生物鐘的構(gòu)成和機理已經(jīng)有了基本了解。動物生物鐘的循環(huán)律動基本上是一個基因表達的負反饋環(huán)路，是一個基因表達的振蕩器。在這個負反饋環(huán)路中，有兩個調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的異二聚體蛋白起了關(guān)鍵作用：一個是直接作用于DNA促進轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子CLK和CYC的二聚體CLK-CYC，另一個是抑制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。這些基因的啟動子部位都有一段稱為E盒元件的DNA序列，CLK-CYC二聚體作用于E盒序列促進這些基因的表達。表達后的PER和TIM蛋白先在細胞質(zhì)中逐漸累積，到了晚上當兩種蛋白累積達到一定的量后又被轉(zhuǎn)運到細胞核中轉(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，減少被表達的量。而在細胞質(zhì)中的PER蛋白被逐漸水解，從而構(gòu)成了一個以24小時為周期的負反饋調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的振蕩器TTFL(圖2)[2-4]。

這種以24小時為周期的節(jié)律具有一種特性，就是它的起始點或相位可以被光照重新設置。這個重設置過程也是一個由蛋白質(zhì)介導的生物化學過程。在果蠅中，這個有重設置功能的蛋白稱為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。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CLK-CYC二聚體功能的抑制，從而使得CLK-CYC介導的基因轉(zhuǎn)錄重新開始[10]。

對其他物種的生物鐘研究表明，動物中的生物鐘基因相似，但和植物和微生物的基因不同。然而，盡管不同種生物的生物鐘基因有差異，但它們的工作原理都是類似的，都是基因表達的負反饋調(diào)節(jié)。這個負反饋調(diào)節(jié)構(gòu)成了所有生命所共有的、最基本的生物化學反應的振蕩器——基因表達的振蕩器。這個基因表達振蕩器決定了生物的生物鐘行為。

5 生物鐘的功能

所有的生物性狀都是自然對生物適應環(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程中被自然選擇保留了下來，反之則被淘汰。生物鐘也是一樣。生物鐘是生物在長年的演化過程中被環(huán)境選擇出來的一種預見和預警機制，它預見一個規(guī)律性事件的發(fā)生，通常是食物和危險的出現(xiàn)。生物鐘讓一個生物個體預見到食物的定時出現(xiàn)，而提前準備并及時到場；生物鐘也預見不利于生理活動的事件，比如高溫和寒冷的定時出現(xiàn)，而提前規(guī)避。能掌握環(huán)境變化規(guī)律并預見環(huán)境變化的物種顯然有生存和繁殖的優(yōu)勢，因此被自然所選擇。生物鐘的元件和機理就是這樣在長期的生物演化過程中被自然選擇保留了下來，成為了普遍的生命現(xiàn)象。

圖2 果蠅生物鐘基因表達的負反饋調(diào)控模型[12]

圖3 人體的生物鐘[12]

人的生物鐘就是人體內(nèi)隨時間作周期變化的生理生化過程、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及行為等現(xiàn)象。人體的各種生理指標，如脈搏、體溫、血壓、體力、情緒、智力等，都會隨著晝夜變化作周期性變化(圖3)。

生物鐘的正常工作對人的健康起著重要作用。生物鐘基因的突變導致生物鐘行為的失常。生物鐘失調(diào)會導致失眠、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。根據(jù)人的生理生化活動的周期性變化，人可以合理安排一天的活動，從而使工作和休息效率達到最高，也使得人的身心健康狀態(tài)達到最佳。

6 結(jié)語

律動是物質(zhì)運動的基本形式，生物鐘是大自然中各種自然鐘的一種，是生命物質(zhì)適應物質(zhì)世界基本運動規(guī)律的一種生命運動形式，是大自然對生物演化的選擇。環(huán)境鐘選擇了基因鐘，基因鐘決定生物行為鐘。生物鐘賦予生命以預見和應對自然環(huán)境變化的能力。了解和順應大自然賦予我們的生物鐘，會使我們的生活更加健康、和諧和愉悅。

(2017年11月22日收稿)

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Biological clock, the gene and environment-determined behavior: A brief introduction to the Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017

YU Qiang
Shanghai Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China

The 2017 Nobel Prize in physiology or medicine was awarded to three scientists from the United States, Jeffrey C. Hall,Michael Rosbash, and Michael W. Young, for their discoveries of genes and molecular mechanisms of the biological clock of fruit flies. The biological clock, also called circadian rhythm, is any biological process that oscillates with a period of about 24 hours. It is a common and basic phenomenon of lives in nature. The discoveries of clock genes and the elucidation of the molecular mechanisms of the clock shed lights on the understanding of the nature of life, particularly the relationships among genes, behaviors, and environments, and provide the bases for applications of the principles of the biological clock in our life.

Nobel Prize, biological clock, biological rhythm, gene, behavior

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.06.003

?通信作者，E-mail: qyu@sibs.ac.cn

(編輯：段艷芳)