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六图通俗讲2017生理学与医学诺奖:生物钟背后的秘密

科技资讯  2017年10月2日 22:13  来源:新浪科技
摘要:新浪科技讯北京时间10月2日晚间消息,北京时间当天17:30许,瑞典卡洛琳医学院决定,将2017年的诺贝尔生理学与医学奖授予:杰弗里·霍尔(JeffreyC。Hall),迈克尔·罗斯巴什(MichaelRosbash)以及迈克尔·杨(MichaelW。Young)三位科学家,以表彰他们在“控制昼夜节律的分子机制方面的发现”。

  新浪科技讯 北京时间10月2日晚间消息,北京时间当天17:30许,瑞典卡洛琳医学院决定,将2017年的诺贝尔生理学与医学奖授予:杰弗里·霍尔(Jeffrey C。 Hall), 迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)以及迈克尔·杨(Michael W。 Young)三位科学家,以表彰他们在“控制昼夜节律的分子机制方面的发现”。

  这一发现与我们的身体健康息息相关,为什么熬夜容易伤身?为什么我们有时候又会自然醒?为什么有时候想睡睡不着,醒来却头昏脑涨?这背后都与我们身体的昼夜节律有关系。而这个神秘节律的背后,则是我们身体内部的生物钟机制。今年获得诺贝尔生理学与化学奖的科学家们揭开了这一机制背后的谜团。

  以下我们用几幅图的形式,来简要介绍今年的诺贝尔生理学与医学奖,了解影响着我们每个人生活的“昼夜节律”:

 图一 图一

  图一:我们的身体vs地球的运动

  我们的身体内隐藏着地球运动留下的痕迹。地球上几乎一切生物的生活节奏都是与地球的自转相适应的。

  我们的身体内隐藏着一台大自然的时钟,它以十分高的精度调节着我们的各项生理活动,使其与一天中不断变化的外部环境相适应。这一生物钟机制调节我们的各种功能,从我们的行为、荷尔蒙分泌水平、睡眠、体温一直到新陈代谢等等。一旦外部环境与我们体内的生物钟之间的同步出现紊乱,我们的身体健康就有可能发生问题。例如当我们跨越时区做长途旅行,我们会经历“倒时差”。同时,有证据表明现代生活方式导致我们与内在生物钟之间的节奏失调可能与不断增加的各类疾病有关。

  这就是所谓的生物钟,我们身体时间的主宰。

图二图二

 

  图二:一种内源性生物钟

  18世纪的天文学家让·德梅朗注意到一个有趣的现象:在白天,含羞草的叶片会朝向太阳展开,而到了傍晚则会闭合起来。这件事引起了他极大的好奇。他做了一个实验,将含羞草放置到一个不见天日的,全黑的房间里,观察含羞草的叶片是否还会表现出同样的规律性动作?结果,答案是肯定的:即便处于连续的黑暗之中,但含羞草依然严格遵循着原先的昼夜节律。这一实验证明含羞草的体内拥有一种细胞层面的“时钟”,它能够维持生命体的节律,即便外界的环境出现变化也仍然如此。不但植物,动物乃至人类也有着类似的“节律”,它究竟是如何在我们体内发挥作用的?

 图三 图三

  图三:向果蝇致敬!

  果蝇由于其繁殖周期短,培养条件要求低,染色体相对较少,且性状表现易于观察等优势被广泛用于遗传学实验。而昼夜节律奥秘的解开也离不开果蝇们的贡献。在上世纪70年代,两位美国科学家塞莫尔·本泽尔和他的学生罗纳德·科诺普卡在果蝇实验中注意到一只昼夜节律异常的果蝇。分析显示其染色体内的一个基因发生了突变。他们证明,这个特定基因的突变会让生物丧失正常的昼夜节律。

  但,这一基因是如何影响昼夜节律的呢?它的机制是什么?

 图四 图四

  图四:成功分离节律蛋白!

  这个问题的回答还要等到1984年。在这一年,另外两位美国科学家杰弗里·霍尔以及迈克尔·罗斯巴什(图左:迈克尔·罗斯巴什,图右:杰弗里·霍尔)在美国波士顿的布兰迪斯大学紧密协作,成功分离出节律基因。他们两人随后发现一种被称为“PER”的特殊蛋白质,其行为明显受到昼夜节律控制:它在细胞核内的浓度在夜晚升高,而在白天降低——也就是说,PER蛋白质的水平存在24小时的周期性起伏,与昼夜节律相一致。

  可是,这种蛋白质的浓度又为什么会出现这样的昼夜变化呢?

图五图五

 

  图五:一种简化版本的周期基因反馈机制

  为了弄清PER蛋白质浓度节律性变化背后的原因,杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什做了一个大胆假设:猜想PER蛋白质的本质作用是抑制Period(PER)节律基因的活动。

  我们知道细胞内蛋白质的合成需要通过基因的调控。受到Period基因的影响,细胞内大量合成PER蛋白质并进入细胞核,而由于PER蛋白质本身具有抑制Period基因活动的性质,在细胞核内PER蛋白质浓度开始上升时,Period基因的活跃性便开始下降,从而减少PER蛋白质的合成,使其浓度出现下降,这就构成了对于其自身的一种负反馈机制。这一机制构成了PER蛋白质浓度周期性变化的基础。

  但是有一个问题需要解决,那就是PER蛋白质必须进入细胞核才能发挥其抑制Period基因活跃性的作用,因为基因染色体都存在于细胞核内部,但是PER蛋白质似乎并不能靠自身进入细胞核。它究竟是怎么做到的?

  1994年,今年的第三位诺贝尔奖获奖人迈克尔·杨发现了第二种节律基因Timeless,其能够在细胞内产生TIM蛋白质。研究显示,一旦TIM蛋白质与PER蛋白质相互结合,便能够顺利进入细胞核,从而让PER蛋白质发挥其对Period基因的抑制作用。而TIM蛋白质本身还有一个特点,那就是会在光照刺激下被大量降解。

  于是,在夜间,由于PER蛋白质能够进入细胞核,细胞核内PER蛋白质的浓度出现了上升,而在白天,由于帮助其进入细胞核的TIM蛋白质在光照刺激下大量降解,PER蛋白质难以进入细胞核,细胞核内的PER蛋白质浓度出现下降。这就逐渐形成了自然的昼夜节律。

图六图六

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  图六:人体的昼夜节律

  三位获奖者的发现建立了关键的生物钟机制原理。在接下来许多年里,生物钟机制的其他分子结构得到了阐释,很好地解释了该机制的稳定性和功能。

  在人类复杂的生理机制中,生物钟在许多方面扮演着重要角色。我们现在知道,包括人类在内的一切多细胞生物体,都是用相似的机制来控制生理节律的。我们的基因中有很大一部分受到生物钟的影响,由此形成了十分精密,适应一天中不同阶段的生物节律。由于三位获奖者的发现,节律生物学已经发展成为一个影响巨大,并十分活跃的研究领域,对人类的健康有重要的启示。(晨风,任天)