什么是生物鐘？ 一、 晝夜節(jié)律的分子機制 邁克爾·楊（Michael W. Young）的父母出生于美國田納西州東部的諾克斯維爾，1946年他們驅(qū)車前往邁阿密度蜜月。與諾克斯維爾的冬季不同，邁阿密的冬季溫暖宜人。短短的幾天他們便愛上了那里，并選擇在那里定居。 邁克爾·楊在三年后出生。盡管他家族中從沒有人從事過醫(yī)學(xué)或者科研相關(guān)工作，父母也沒有接受過大學(xué)教育，但他們卻非常熱衷于培養(yǎng)孩子對科學(xué)的興趣。他們給邁克爾·楊買了顯微鏡和望遠鏡，邁克爾·楊做化學(xué)實驗弄臟了家里的地板他們也完全不在乎。邁克爾 楊小時候?qū)C械很感興趣，而且曾經(jīng)自己制作過卡丁車。 但更讓邁克爾·楊感興趣的是他家的后花園。那里有各種各樣的動物，美洲蜥蜴、犀鳥、鸚鵡，還有花朵能夠晝開夜合的奇怪植物。十二三歲的時候他的父母給他買了一本關(guān)于生物學(xué)和進化論的書，書中有一段關(guān)于控制花朵生物鐘的描述。書中說對于生物體內(nèi)的生物鐘組成結(jié)構(gòu)和作用機制我們一無所知。 確實如此。人們很早就觀察到很多生物可以預(yù)測并適應(yīng)環(huán)境中的日照變化。18世紀的時候法國科學(xué)家Jean Mairan將含羞草置于恒定黑暗的環(huán)境下。他發(fā)現(xiàn)含羞草的葉片活動仍能保持24小時的波動變化。這次發(fā)現(xiàn)也被認為是生物具有內(nèi)源性節(jié)律的最早證據(jù)。 含羞草Artist unknown 19世紀的生物鐘研究只停留在植物學(xué)，而到了20世紀由于生態(tài)學(xué)、動物行為學(xué)、原生動物學(xué)、進化生物學(xué)、哺乳動物生理學(xué)以及人類生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)這是存于包括人類在內(nèi)的多種生物體內(nèi)的現(xiàn)象。而這個時鐘其實有助于我們?yōu)槿粘５纳頇C能做好準備。這種規(guī)律性的適應(yīng)被稱為“晝夜節(jié)律”。但是人體內(nèi)部生物鐘的工作原理仍然是個謎。 到了上世紀60年代，生物鐘的研究已經(jīng)形成了一個細分的領(lǐng)域。1960年舉行的冷泉港會議成了該領(lǐng)域的重要事件，會議后ColinPittendrigh總結(jié)了16條生物鐘特性。盡管當時大多數(shù)人相信生物鐘是由內(nèi)在因素導(dǎo)致的，但Frank Brown等人卻相信生物鐘由與地球自轉(zhuǎn)相關(guān)的物質(zhì)引起的。 如果要研究一個生物體內(nèi)的體系，那么我們必須清楚該體系的性質(zhì)、與此相關(guān)的解剖學(xué)位置，而且必須闡明它的內(nèi)在機制。當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)生物鐘幾乎與物理時鐘一樣精準，但卻具有一定的適應(yīng)性和動態(tài)性，而且?guī)缀跛械恼婧松锒即嬖谏镧?。如果要研究生物鐘的?nèi)在機制，盡管當時存在爭議，但基因研究仍然是比較好的策略。 二、 Per基因 在上世紀70年代，加州理工學(xué)院的Seymour Benzer 和他的學(xué)生Ronald Konopka選擇通過研究果蠅來尋找控制果蠅晝夜節(jié)律的基因。他們使用致突變劑誘導(dǎo)果蠅生物鐘變化，發(fā)現(xiàn)一些果蠅的晝夜節(jié)律延長，一些果蠅的晝夜節(jié)律縮短，而有的果蠅晝夜節(jié)律則完全紊亂。而最重要的是他們發(fā)現(xiàn)這些類型的晝夜節(jié)律變化都指向了同一個基因。他們給這個新基因起了個名字：per（period, 周期）。那么這個基因是如何影響節(jié)律的呢？ 基因的克隆為該問題的解決奠定了基礎(chǔ)。美國布蘭達斯大學(xué)的分子生物學(xué)教授羅斯邁克爾巴什 (Michael Rosbash) 和遺傳學(xué)教授杰弗里 霍耳（Jeffrey Hall）是一對籃球場上的好戰(zhàn)友，球場讓他倆經(jīng)常有機會在一起討論一些科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。當Benzer和Konopka發(fā)表了他們關(guān)于果蠅生物鐘突變種的時候，羅斯巴什和霍耳注意到了這一發(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)過了2年多的努力，羅斯巴什和霍耳的實驗室終于在1984年從果蠅中克隆到了per基因。 而邁克爾楊也在同一時期拿到了per基因克隆。1971年邁克爾 楊從德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校畢業(yè)，并選擇繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。他當時癡也迷于果蠅的研究，通過隨機誘導(dǎo)果蠅染色體重組來研究其與果蠅存活的相關(guān)性，并研究非致死重組的果蠅表型。當他在進行這項研究的時候Ron Konopka 和 Seymour Benzer 報道了果蠅的per基因與晝夜節(jié)律的相關(guān)性，而邁克爾 楊發(fā)現(xiàn)在染色體重組過程中曾使該基因產(chǎn)生斷裂。 1978年邁克爾楊成為洛克菲勒大學(xué)的副教授，利用分子生物學(xué)手段來克隆per基因。而且他的課題組發(fā)現(xiàn)將包含per基因的重組DNA注射入含有per突變的動物體內(nèi)會恢復(fù)期晝夜節(jié)律，并且發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律突變的果蠅體內(nèi)產(chǎn)生PER蛋白存在功能缺陷。 果蠅 by Adriana Paoletti 接下來在1988年羅斯巴什和霍耳發(fā)現(xiàn)PER蛋白具有晝夜變化規(guī)律，在1990年又發(fā)現(xiàn)per基因轉(zhuǎn)錄生成的mRNA也具有晝夜節(jié)律。所以PER蛋白的濃度會循環(huán)變化，其周期為 24 小時并且和晝夜節(jié)律相同。之后科學(xué)家需要研究的一個重大課題，就是 PER 這個蛋白如何保持穩(wěn)定的周期變化。羅斯巴什和霍耳提出了一個假說：PER蛋白可以控制per基因的表達:PER蛋白和per基因形成了一個抑制反饋的環(huán)路，PER蛋白可以抑制基因合成自己，這樣就形成了一個連續(xù)循環(huán)的環(huán)路。 但這個模型仍然存在幾個問題，比如PER蛋白質(zhì)只有從細胞質(zhì)進入細胞核，才能抑制per基因。之后羅斯巴什和霍耳的研究表明每當晚上的時候PER蛋白會在細胞核里積累。但是它是如何進入細胞核的？1994年邁克爾楊發(fā)現(xiàn)了第二個節(jié)律基因tim (timeless)。tim基因可以編碼 TIM蛋白，同樣為正常節(jié)律所需。邁克爾 楊發(fā)現(xiàn)TIM蛋白會結(jié)合到 PER蛋白上，然后兩個蛋白可以一起進入細胞核并且在那里抑制per基因的活性。 三、 完整的機制 1 抑制反饋的環(huán)路 果蠅分子生物鐘的基礎(chǔ)抑制反饋的環(huán)路發(fā)生在基因轉(zhuǎn)錄層面，細胞核內(nèi)活化的per基因能夠轉(zhuǎn)錄生成mRNA，PER蛋白能夠穩(wěn)定存在并且在細胞漿內(nèi)累積。PER蛋白在夜晚達到最大濃度并進入細胞核。在細胞核內(nèi)PER蛋白能夠抑制自身基因轉(zhuǎn)錄。在早晨的時候PER蛋白會降解，幾小時之后所有PER蛋白消失并解除對per基因的抑制，PER蛋白的生成重新開始。 2Per基因的轉(zhuǎn)錄活化 per基因的轉(zhuǎn)錄需要CYC和CLOCK蛋白結(jié)合到per基因的啟動子才能夠進行。在夜晚的時候CYC/CLOCK復(fù)合物能夠結(jié)合到啟動子位置并誘導(dǎo)per基因轉(zhuǎn)錄。而當PER蛋白與CYC/CLOCK復(fù)合物直接作用之后會抑制轉(zhuǎn)錄過程的進行。在早晨的時候PER蛋白分解，接觸對CYC/CLOCK復(fù)合物的抑制，轉(zhuǎn)錄重新開始。 4PER蛋白與TIM蛋白降解果蠅doubletime蛋白 (屬于激酶) 通過產(chǎn)生磷酸化誘導(dǎo)PER蛋白降解，在PER蛋白與TIM蛋白結(jié)合之后PER蛋白卻無法被doubletime誘導(dǎo)降解降解。日出之后會引起果蠅眼內(nèi)的感光的隱花色素異構(gòu)化，并使之活化。活化的隱花色素能夠誘導(dǎo)TIM蛋白降解。由于TIM蛋白降解，PER蛋白無法保持穩(wěn)定而隨之被降解。突變的doubletime蛋白會導(dǎo)致晝夜節(jié)律延長。 生物鐘 by Lance Bifoss 這個過程并不是一成不變的，多種因素能夠?qū)υ撨^程進行精細調(diào)控。比如果蠅眼內(nèi)的感光的隱花色素能夠結(jié)合TIM蛋白并誘導(dǎo)其加速分解解釋了光在生物節(jié)律調(diào)節(jié)中的作用。
生物鐘調(diào)節(jié) 人的細胞晝夜節(jié)律與上述過程基本一致：細胞內(nèi)的晝夜節(jié)律通過影響蛋白的合成、轉(zhuǎn)運、結(jié)合以及降解而產(chǎn)生。而生物鐘能夠通過參與晝夜節(jié)律分子機制的組分來影響極為眾多的基因與蛋白功能，從而影響人的體溫、血壓、腸胃蠕動、心率、代謝速率、毛發(fā)生長等等一系列過程。雖然在缺乏外界因素的情況下生物鐘能夠獨立運行并保持基本節(jié)律，但這并不意味著生物鐘完美無缺不需要修正，相反在某些情況下我們需要重置我們體內(nèi)的生物鐘。比如光照的變化能夠調(diào)節(jié)腦內(nèi)的生物鐘使其能夠與外界的光照同步。但人的生物鐘是調(diào)節(jié)的呢？ 人的下丘腦內(nèi)存在一對用來掌控人生物鐘的一對神經(jīng)元從稱為視交叉上核(SCN)，如果對SCN進行電刺激，那么人的晝夜節(jié)律將會以預(yù)定的方式產(chǎn)生改變。切除SCN將會消除生理運動、睡眠、飲食的晝夜節(jié)律 (人的睡眠不止是受晝夜節(jié)律調(diào)控)。因為人的一系列行為與日出日落的周期同步，所以日光將會是調(diào)節(jié)人生物鐘的重要因素。 下丘腦 by Tillian Reeves 這一過程是由下丘腦通過視網(wǎng)膜下丘腦束來完成的。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的軸突與SCN神經(jīng)元的樹突通過突觸直接相連，而視網(wǎng)膜產(chǎn)生的輸入信號足以對人的晝夜節(jié)律產(chǎn)生調(diào)節(jié)，以適應(yīng)外界的白晝與夜晚的變化。神經(jīng)節(jié)細胞能夠表達黑視蛋白(Melanopsin)，光照可使該細胞緩慢激活并將信號通過視網(wǎng)膜下丘腦束傳導(dǎo)至SCN，而SCN調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律之后將信號通過突觸連接或分泌加壓素將信號傳遞到腦的其他部位并產(chǎn)生一系列變化。 而在此過程中SCN能夠?qū)碓从谝暰W(wǎng)膜的晝夜更替的信息傳遞給松果體。松果體形似松果，位于上丘腦且能夠分泌褪黑素。褪黑素的分泌因SCN導(dǎo)致的松果體活化或抑制而呈晝夜節(jié)律變化。研究發(fā)現(xiàn)松果體分泌的褪黑素能夠影響多種體內(nèi)過程。 以上解釋了晝夜節(jié)律和生物鐘的基本概念(注意晝夜節(jié)律和生物鐘并不等同，生物鐘引起并能夠調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律)，那么生物鐘對人的健康會有什么影響？
生物鐘的意義 晝夜的更替伴隨著人的一生，是影響人類生活最重要的規(guī)律之一。而人也會產(chǎn)生與之適應(yīng)的睡眠覺醒周期以適應(yīng)黑夜與白晝的變換。當然生物鐘不僅作用于人的睡眠和覺醒，還能對人的情緒，食欲，心臟功能，免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響。但我們早已對生物鐘的存在熟視無睹，只有在某些特定的情況下我們才能夠感受到他的重要性。 提起生物鐘對人生活的影響，大家首先想到的可能是長途飛行導(dǎo)致的時差(Jet lag)。時差問題不僅可以影響人的睡眠，還可能對人的認知功能產(chǎn)生影響，并讓人變得勞累，易怒，且有可能產(chǎn)生頭痛，消化問題。這正是由于人的內(nèi)在生物鐘與外在環(huán)境時間的錯位導(dǎo)致的。 另一個引起生物鐘紊亂的常見例子是輪班制工作。與時差問題相同，輪班制工作也可能導(dǎo)致包括睡眠障礙在內(nèi)的一系列問題。但與時差問題不同的是輪班制工作可能會長期進行，所以對身體的影響可能更明顯。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)輪班制與2型糖尿病相關(guān)，而且可能導(dǎo)致女性患乳腺癌風(fēng)險提升，并可能提升其他癌癥風(fēng)險。這可能是由于晝夜節(jié)律紊亂影響了褪黑素的腫瘤抑制作用，因此世界衛(wèi)生組織把輪班制也列為可能致癌因素（probable carcinogen）。輪班工作也可能導(dǎo)致諸如心臟病、高血壓、精神疾病的慢性病疾病加重。 生物鐘 by Fatherly 由于生物鐘能夠影響體內(nèi)幾乎所有的生理過程，所以藥物療效和毒副作用也會因生物鐘的存在和藥物治療的時點選擇而產(chǎn)生差異，該研究領(lǐng)域被稱為時間治療學(xué)（chronotherapeutics）。 人的睡眠習(xí)慣一般會有差異，有些人習(xí)慣早睡，有些人習(xí)慣晚睡。這種習(xí)慣一般會長期保持而且通常人們能夠適應(yīng)這種習(xí)慣。但某些因內(nèi)在原因?qū)е碌臅円构?jié)律睡眠障礙確是一種疾病。該類疾病患者通常具有超過24小時的晝夜節(jié)律，或者因為晝夜節(jié)律功能損傷或傳入/傳出通路受損引起對外界環(huán)境變化無法做出反應(yīng)，而且該晝夜節(jié)律睡眠障礙通常是注意缺陷多動障礙的合并病癥。
治 療 生物鐘紊亂會對人的工作生活和健康產(chǎn)生很大影響，但我們該如何治療生物鐘相關(guān)障礙呢？由于時差問題通常只是暫時性的，幾天后癥狀便可自行消失，因此并不需要治療。對于經(jīng)常長途飛行并且飽受時差困擾的人以及輪班制工作的人，醫(yī)生可能會酌情開具類似唑吡坦的短效催眠藥。此外光照或者避光療法在某些情況下可以幫助調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律。 對于大多數(shù)晝夜節(jié)律睡眠障礙患者需要包括特定時間光照/避光，合理睡眠時間計劃，以及藥物干預(yù)的多重策略進行治療。藥物的治療包括褪黑素，莫達非尼等藥物。莫達非尼用于治療睡眠喚醒障礙的作用機制尚不清楚。 褪黑素是一種內(nèi)源性激素，即使你沒聽過這個名詞，你肯定也聽過一句廣告詞：今年過節(jié)不收禮，收禮只收XXX：褪黑素正是該產(chǎn)品的主要成分。褪黑素在美國和加拿大是非處方藥，在中國則作為保健食品銷售，在其他一些國家，褪黑素可能需要憑處方使用或者處于未批準狀態(tài)。褪黑素由視網(wǎng)膜、眼部晶狀體、胃腸道及松果體中的松果體細胞生成。松果體產(chǎn)生的褪黑素是內(nèi)分泌荷爾蒙會進入血液，視網(wǎng)膜和胃腸道則產(chǎn)生旁泌性荷爾蒙。下丘腦的視交叉上核會由視網(wǎng)膜接收每日光暗的規(guī)律，從而影響褪黑素的制造。 褪黑素治療睡眠障礙疾病的作用存在一些爭議，而在癌癥、癲癇、繼發(fā)性痛經(jīng)以及精神錯亂等疾病領(lǐng)域沒有合理的臨床證據(jù)支持其有效性。褪黑素在動物體內(nèi)的主要生物作用是通過活化褪黑素受體產(chǎn)生的。而其他如線粒體或細胞核保護作用則基于其抗氧化作用。 褪黑素引發(fā)的怪夢 Artist unknown 褪黑素受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族，人體內(nèi)主要存在兩種亞型MT1和MT2。MT1能夠表達于SCN，參與生物鐘的調(diào)節(jié)過程。MT2受體則可表達于視網(wǎng)膜。雖然褪黑素具有一系列的生理作用，并且有證據(jù)支持其治療作用，但其藥代性質(zhì)不佳，比如首過效應(yīng)強，半衰期短從而限制了它的療效和應(yīng)用?；谄湫盘柾范_發(fā)藥物能夠幫我們找到比褪黑素本身活性更高，選擇性更好，藥代性質(zhì)更佳的藥物。
新 藥 由于存在內(nèi)源性配體，因此可以利用褪黑素為模板來設(shè)計新的化合物。已上市的藥物都能夠?qū)煞N受體產(chǎn)生作用。1986年開始褪黑素受體激動劑的作用研究就已經(jīng)開始，但到目前為止仍未完全理解，褪黑素受體激動劑與受體結(jié)合后會影響一系列生理過程。而藥物開發(fā)的適應(yīng)癥主要集中于睡眠障礙。 雷美替胺是第一個上市的褪黑素受體調(diào)節(jié)劑，其半衰期約為1-2小時，明顯長于褪黑素的20-30分鐘。阿戈美拉汀是第一個上市的治療重度抑郁的褪黑素受體調(diào)節(jié)劑，相比其他類型的抗抑郁藥物，阿戈美拉汀不會產(chǎn)生停藥綜合癥和導(dǎo)致性功能障礙(關(guān)于該化合物的研發(fā)過程可閱讀文末參考文獻中Nature Reviews Drug Discovery的精彩文章 doi:10.1038/nrd3140)。2013年FDA批準另一個褪黑素受體激動劑他司美瓊上市用于治療完全失明患者的晝夜節(jié)律睡眠障礙(非24小時障礙)。 已上市褪黑素受體通路相關(guān)藥物 由于褪黑素所參與的信號通路影響極為廣泛，所以褪黑素受體調(diào)節(jié)劑的潛在治療領(lǐng)域不只局限于睡眠障礙，還包括疼痛，炎癥，心血管疾病，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及癌癥或者代謝類疾病等等。但大多數(shù)褪黑素受體調(diào)節(jié)劑是上世紀八九十年代合成的，現(xiàn)在該領(lǐng)域的研發(fā)并不活躍。 褪黑素受體主要有MT1和MT2兩種受體(MT3為低親和受體)，它們在體內(nèi)的多種組織內(nèi)表達，要確定每種受體的特性和具體參與的過程也比較困難。未來MT1/MT2選擇性抑制劑的開發(fā)可能會占主導(dǎo)，但我們必須站在對褪黑素受體通路深刻理解的基礎(chǔ)上才能更好的幫助我們開發(fā)新的藥物，拓展新的適應(yīng)癥。
結(jié) 語 已故的Seymour Benzer和Ronald Konopka以及今年獲得諾貝爾獎的三位科學(xué)家對于晝夜節(jié)律的分子機制做出重要貢獻，但我們不應(yīng)該忘記無數(shù)參與晝夜節(jié)律/生物鐘研究，以及相關(guān)的新藥研發(fā)的科研工作者?？茖W(xué)的重大進展并不是憑一己之力就能完成的，在表彰三位獲獎?wù)叩耐瑫r，我們并不能忘了背后默默奉獻的其他人。 最后還應(yīng)該感謝很多科學(xué)家的摯愛：果蠅。 By Josh Wheless 參考資料 1. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 6: 965-971. 2005. 2. Bora Zivkovic, Circadian clock without DNA--History andthe power of metaphor. 2011 3. The Drosophila Molecular Clock Model, YOUTUBE. 4. Michael Rosbash (Brandeis): Understanding Circadian Rhythms,YOUTUBE. 5. Autobiography of Michael Young. 6. Nature, 485, 45–46. 2012. 7. Neuroscience exploring the brain. BOOK. 8. HHMI, The Drosophila Molecular Clock Model. 9. Wikipedia: Circadian rhythms. Melatonin receptor agonist. 10. Nobel Prize Release. 11. Psychiatric Times, The Role of Melatonin in theCircadian Rhythm Sleep-Wake Cycle. 12. Your Body's Internal Clock and How It Affects YourOverall Health. 2012 13. NIH, Circadian Rhythms Fact Sheet. 14. Mayo Clinic, Jet lag disorder. 15. Continuum (Minneap Minn). 19:132–147. 2013. 16. Nature Reviews Drug Discovery, 6: 628-642. 2010. 17. Journal of Medicinal Chemistry, 57(8):3161-85. 2014. Jerry專欄 |
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