深度研究|诺贝尔奖揭开生物钟神秘的面纱

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生命的林林总总总能找到遗传基因的影子,人类也不例外,尽管很多性状并不是单个遗传基因控制,遗传基因的表达也受到多种因素的影响,但命运总会青睐一些幸运的有准备之人,让他们发现有价值的关键基因,起作用的关键蛋白质,循着这条路线,更多的生命秘密被揭开。

杰弗里.霍尔( Jeffrey Hall) 、迈克尔.罗斯巴什( Michael Robash)和迈克尔.杨(Michael Young)是幸运的,他们紧密合作,沿着正确的路线,取得了一个个的遗传发现。在果蝇中的发现,被证明也同样适用于高等植物、高等动物,看来,这种与生物钟有关的分子机制,在生命进化的长河中很早就开始流淌了。

人类要再一次感谢果蝇这种重要的模式生物,它的奉献让人类一次次获得对生命认识的重大突破。

在三位科学家的研究中,有一个重要概念的提出,这就是生物钟的转录翻译负反馈回路的形成。

了解遗传基因转录翻译的都知道,遗传基因DNA大分子存在于细胞核中,而合成蛋白质的场所是在细胞质中,因此,DNA指导蛋白质合成需要另一种遗传物质RNA担任翻译和运输工具等。mRNA (信使RNA)带着从DNA 拷贝的遗传信息到细胞质中的核糖体RNA上合成蛋白质

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遗传信息流在细胞内不同场所有序流动,DNA不会跑到细胞核外,合成的蛋白质也不会随便跑到核里,照理说不会互相干扰,可徧偏这个与日夜生物节律有关的period基因指导合成的PER蛋白不老实,它要想方设法回到细胞核中干扰period的作用,也就是说,PER 蛋白可以让 period 基因失去活性。换句话说,PER 和 period 形成了一个抑制反馈的环路,PER 可以抑制基因合成自己,这样就形成了一个连续,循环的节律。

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问题来了,这个PER蛋白是如何跑到细胞核中去的呢?有没有其他同伙呢?幸好,同伙被三位科学家发现。原来,有个timeless基因,它可以编码 TIM蛋白,这同样为生命正常节律所需。Young 通过实验将TIM蛋白会结合到 PER蛋白上,然后发现两个蛋白可以一起进入细胞核,并且在那里抑制 period 基因的活性,原来,是TIM引狼入室,把PER带进细胞核,抑制在那里指挥自己合成的period。不过,这个过程是有周期的,他们在果蝇中发现, PER 晚上会在果蝇体内积累,到了白天又会被分解。所以 PER 的浓度会循环震荡,周期为 24 小时,和昼夜节律相同。

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科学研究的过程就是不断提出问题,解决问题的过程。随后的问题是,这种震荡的频率周期为什么维持在 24 小时?接着,Michael Young 又发现了一个基因 doubletime,可以编码 DBT 蛋白。DBT 可以延迟 PER 蛋白的积累,这基本解释了为什么震荡的周期为什么会稳定在 24 小时左右。

从遗传基因、蛋白质分子水平上寻找生物节律的本质,这些发现太有趣了,生物体内的分子代谢、遗传信息流的流动真是环环相扣啊。这大概也是生命适应地球环境变化不断进化的结果。

30多年过去了,三位新科诺贝尔奖得主以及相关的科学工作者,沿着已经奠定的生物钟的理论基础,不断深入,又有一些新的发现,比如其他一些蛋白可以维持period的活性,以及外界的光如何调节生物钟,等等。关于生物钟的研究涉及方方面面,可能还有很多未解之谜。

日夜循环,周而复始;生命运行,自有节律。世间的生物,都按照各自的生命节律生存繁衍。生物钟是神秘的,不过看来人类已经找到从分子水平上解密它们的钥匙,我们更关心的是,这些科学成果如何更好地造福人类,解决人类生存中的一些难题和困惑。

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