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【诺奖2017】从分子层面上揭秘“生物钟”——“日出而作,日落而息”的科学依据!


他们发现了地球生命节律的分子机制,解释了生命包括人类的内部“生物钟”究竟如何工作,以预测和适应正常的生物节奏,使之与地球律动(每24小时一个周期的昼夜节律)保持同步。




三位科学家的获奖理由是:

因发现控制昼夜节律的分子机制。

获奖人简介

 杰弗里.霍尔(Jeffrey C. Hall)

美国遗传学家,1945年出生于美国纽约。1971年在西雅图华盛顿大学获得博士学位,1971年至1973年在加州理工学院担任博士后研究员。1974年,他加入了布兰迪斯大学任教职。杰弗里.霍尔现已退休。

  

迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)

美国遗传学家,1944年出生于美国堪萨斯城。他于1970年获得美国剑桥的麻省理工大学博士学位。后在苏格兰的爱丁堡大学做了三年博士后研究。1974年以来,在美国沃尔瑟姆的布兰迪斯大学任职。



迈克尔. 杨(Michael W. Young)

美国遗传学家,1949年出生于美国的迈阿密。1975年,他在奥斯丁的德克萨斯大学(University of Texas)获得了博士学位。在1975至1977年间,他在Palo Alto的斯坦福大学担任博士后研究员。1978年后,他在纽约的洛克菲勒大学(Rockefeller University)任职。 

分子层面解读“生物钟”

果蝇成为研究的示范生物,诺贝尔奖获得者分离出一个重要基因,可以控制日常生物节律。研究表明,该基因编码一种在夜间集聚在细胞中的蛋白质,然后在白天降解。随后,科学家们发现另一种蛋白质组分也具有这种机制,进一步揭示了细胞内生物钟的控制机制。科学家们意识到,生物钟在包括人类在内的多细胞生物中,以相同的机制起作用。


人体内在精密运转的生物钟调节身体节律,以适应不同的生活节奏。生物钟调节着关键的喂养行为、激素水平、睡眠、体温和新陈代谢等功能。当外部环境与内部生物钟之间存在暂时的不匹配时,比如当我们穿越几个时区遇到“时差”时就会发生“状况”。还有迹象表明,我们的生活方式与体内生物钟所规定的节奏之间的偏差,与多种慢性疾病的风险提高有关。


“日出而作,日落而息”找到了科学依据


昼夜节律,是生物内部的分子钟驱动的,人们观察到生物对昼夜变化的生物适应已久,但对内源生物钟存在的确认直到本世纪才建立。


上海交通大学医学院附属瑞金医院内分泌科王计秋教授介绍,节律可根据年、月、日等不同周期循环发生,昼夜节律以24小时为单位,远古时期“日出而作、日落而息”便是对此最为质朴的描述。王计秋教授认为,“普通人理解的激素其实与昼夜节律也有关,其中最为关键的皮质醇就是其中一种,肾上腺负责分泌皮质醇,并且一天中产生的数量也有不同,研究发现,人体在上午有更多可以利用皮质醇的倾向,而到深夜进入最低谷。”


专家解释,虽然现象被广泛认知,但调控昼夜节律的分子机制长期未能被发现。1971年从果蝇的一个基因出发,科学家开启基因研究,此后在对大鼠的研究中发现,破坏大鼠的下丘脑视交叉上核后,大鼠的节律性行为消失了,而为其移植了新生鼠的视交叉上核组织后,节律性行为又恢复了。“这些研究确定了影响哺乳动物节律的基因确实位于下丘脑的视交叉上核,他们协调细胞、组织和器官,全身上下都收到节律的调控。”


徐璎告诉记者,昼夜节律机制,是生物在昼夜外界信号导引下进化而出的生物钟体系。现代社会节奏加快,科学家们随即发现生物钟在哺乳动物中有基因突变,这种突变会影响睡眠、代谢(导致肥胖)、攻击人体免疫系统等,继而诱发疾病。科学家对基因组筛选,发现10%以上的基因可以调控节律。这一成果随后在时间治疗学、系统调控上发挥重要作用。


向“倒时差苦”说不!


“与生物体节律直接相关的‘时钟基因’,在英文中就叫Clock基因。”复旦大学上海医学院钱睿哲教授,告诉解放日报·上观新闻记者,无论是国际还是国内学界,目前有两大基因成为节律研究的重要突破点,Clock基因是其中之一。而她的研究方向,正是基于此的生物节律紊乱与衰老。另一种则是缩写为BMAL1的基因 (brain and muscle ARNT-like 1),与大脑和肌肉相关。


事实上,这类掌控生理节律的基因不只是用来“倒时差”的,它与糖尿病等代谢综合疾病有关,还与心梗甚至肿瘤发病存在联系。例如,心梗多在早晨“爆发”,可见疾病也有自己的病理节律;而昼夜作息颠倒的特殊工种从业者,罹患糖尿病的风险也相对较高。因此,包括我国国家自然科学基金委在内,各国科研系统对此项研究相当重视。


不过,从今年诺奖得主从果蝇开始的相关研究至今,人类在自身体内还没有掌控这些“时钟基因”的调时技巧。


钱睿哲表示,他们和国际同行也都在利用小鼠之类的模式动物进行实验,例如,利用基因敲除的方法,对比研究接受与不受节律控制的小鼠,在基因层面阐明它们控制“时间钥匙”的分子机制。“只有彻底弄清楚,先找到理论和实验依据,才能精准找到基因位点,乃至于潜在药物靶点。”从这一意义上讲,人类希望找到的神奇“时差药”,现在还远未出现。


最后,被采访专家一致认为,3位获奖者对调控昼夜节律的关键基因突变和功能做了详细阐述,这虽是非常基础的问题,但对于生命体的长期健康生存有着极为重大的意义。这也提示,除了认识大自然外,人类应更多探讨人类自身如何适应大自然、相互作用形成统一,未来将对疾病的预防治疗都有新启示。



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