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2017 诺贝尔奖揭开生物钟的奥秘

发布时间:2017-10-27 13:37 |  点击次数:

2017 年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,三位美国科学家 Jeffrey C.Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young 获奖,以表彰他们「发现了生物体昼夜节律的分子机制」。三人将均分约 110 万美元奖金。


嗯,110 万美元奖金跟咱是没什么关系了。但这个所谓的「生物体昼夜节律的分子机制」,你难道不好奇它在说什么嘛?

含羞草叶子在黑暗中仍按昼夜规律开闭(图 1),向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方,人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困——生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激,而是由某种内在机制掌控。

 
图 1. Jean Jacques d'Ortous de Mairan
将含羞草放在黑暗环境中并发现:
就算没有阳光的照射,叶子仍保持正常规律性变化。

随着分子生物学发展,科学界逐渐提出「生物钟基因」的设想。但限于技术发展水平,人们当时无法弄清这个基因的代码序列。

直到 20 世纪 70 年代,美国加州理工学院的 SeymourBenzer 及其学生 Ronald Konopka 用果蝇做实验,通过筛选相关的基因突变,定位到了生物钟基因,命名为「周期」基因。1984 年,Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W.Young 三人成功克隆出了「周期」基因,并把它编码的蛋白质命名为 PER。他们发现,果蝇体内的 PER 蛋白质浓度昼夜有规律地变动,振荡周期正是 24 小时。

那么,这样的节律变化是如何产生并维持的呢?Jeffrey Hall 和 Michael Rosbash 猜想,PER 蛋白通过一种抑制反馈回路阻止了自身的合成,因而持续而周期性地调节了自身的水平(图 2)。

 
图 2:当周期基因激活时,mRNA 就生成了。
mRNA 被转运到细胞质中,作为 PER 蛋白产生的模板。
PER 在细胞核中聚集,而周期基因的活性此时被阻断。

这一猜想很「诱人」。等等,似乎缺少了某个片段,PER 蛋白是如何在夜间聚集到细胞核从而阻断周期基因的活性的呢?1994 年,Michael Young 发现了第二种发条基因——timeless,它编码昼夜节律所需的 TIM 蛋白。他证实,当 TIM 蛋白绑定到 PER 蛋白时,两种蛋白就能进入细胞核,从而阻断周期基因活性,关闭阻断反馈回路(图 3)。此后发现了几个涉及 PER 蛋白质的降解、「周期」基因的启动的基因,与前两种基因共同构成「转录翻译反馈回路」,这就是果蝇生物钟的核心振荡机制。
 
图 3:节律钟的分子成分的简单图示。
 
三位诺奖得主的发现是颠覆传统的,建立了生物钟的关键机制。今年得主们还鉴定出一些额外蛋白,是激活周期基因所需,此外,光能同步节律钟的机制也少不了它们。

敲黑板!看明白了没?说到底,科学家们负责解答「是什么」、「为什么」以及「怎么办」,而大多数和我们一样的普通人其实只关心「有什么用」和「怎么用」。

那么专家奋斗了这么久,对我们的启示是什么呢?

划重点:生物钟负责调节身体各种重要机能比如行为举止、荷尔蒙水平、睡眠、体温以及新陈代谢。生物钟紊乱与多动症、抑郁症等精神疾病紧密相关,同时会导致肥胖、糖尿病、高血压、高血脂等内分泌代谢疾病。生物钟研究有望给失眠患者提供更精准的治疗方案。

用我一个朋友的说法正合适:人为什么变丑和变笨? 2017 年诺贝尔生理学和医学奖颁布了原因——熬夜。