生物的昼夜节律
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文：吴思涵（Ludwig癌症研究所博士后）
编辑：X君
一、什么是昼夜节律/生物钟
在高等的光敏感生物中，生物钟是一套由感光神经元，内分泌系统，以及基因时序振荡表达调控共同形成的功能体系，使得生物从微观水平的基因表达、细胞代谢，到宏观的生物行为，形成昼夜更替的节律。
二、昼夜节律的生物学机制
生物钟中的昼夜节律（下文简称为“生物钟”。注意，生物钟是个很大的概念，昼夜节律是生物钟的一种表现。）是怎样形成的呢？其实，它和我们所熟知时钟一样，包括了两大要素：1、时钟的校正；2、时钟的周期。
当我们买了一个新手表，在正式使用之前，需要对其进行校正，使其符合某个标准。生物钟也有这样的一个校正机制。其中，大脑中的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus）是中枢时钟（master clock），负责将感受到的外界光信号整合后，向身体外周的时钟（peripheral clocks）传递信息。这个中枢时钟每天都会校对一次，校对的依据便是光。而由于校正每个昼夜都会进行一次，因此这个时钟的周期便是24小时。
除了视神经外，身体的其他细胞并没有感光能力，虽然它们一直在活动，但由于“看不见”，黑灯瞎火地工作，总会有乱套的时候。而中枢时钟就扮演着一个总指挥官的角色，它能够接收视神经（也就是那个“看得见”的领导）传来的信号，然后将信号从中央传达到地方，告知底下的小兵天亮了，统一校对手表调整时间，该干嘛干嘛。而内分泌系统，就通过分泌激素，扮演着传递中央下达的信号的角色。而不同的激素，具有传递不同信号的功能。
总结一下，就如上图所示，视交叉上核神经元接受了清晨第一缕阳光的刺激，调好自己的手表之后，下达命令，大喝一声：睡你麻痹起来嗨！于是外周的细胞接受了命令，也调好自己的手表，然后开始干白天该干的活。
在分子水平，又是怎样构筑起生物钟的体系呢？这个问题的答案，便是由包括这三位诺奖获得者在内的一众科学家揭晓的。
当细胞接收到白天的信号时，就会相应地启动一套有序的基因表达程序。这里有两个要点：1、在白天信号指导下，某些基因（我们叫白天基因好了）的表达会更加有优势，而黑夜基因的功能会受到抑制；2、白天、黑夜基因交替出现优势的步调，并不总是完美的，毕竟生物机体不是机械齿轮，转着转着，细胞之间的步调就会不一致，这时候中枢时钟的命令就起到了让大家保持步调一致的作用。
举个栗子，PER和CRY基因是白天基因。在昆虫中，CRY（Cryptochrome，隐色素）能够感受蓝光。它和PER（Period）基因一样，在黑夜结束、白天刚开始的时候表达量很低，然后逐渐升高，并在快入夜的时候达到表达高峰。而PER和CRY基因又是谁来上调表达的呢？是由CLOCK和BMAL1蛋白，它们结合到PER和CRY基因启动子的E-box区域，促进其表达。
但是好戏来了，虽然CLOCK和BMAL1蛋白能够促进PER和CRY的表达，但是，PER和CRY的表达却会反过来抑制CLOCK和BMAL1蛋白的功能。
当刚刚入夜的时候，表达量达到峰值时，PER和CRY就会形成二聚体，进入细胞核中，抑制CLOCK和BMAL1，从而抑制PER和CRY的表达。同时，PER和CRY是不稳定的，会被缓慢降解掉。于是乎，转录减少了，然后自身也被降解了，因此就会随着夜色加深，PER的量逐渐下降，并在黑夜结束、白天刚开始时，回到了整个周期的起点。而由于PER和CRY含量的下降，就解除了对CLOCK和BMAL1的抑制，从而重新转录出新的PER和CRY。如此一来，就形成了一个周期振荡的负反馈系统。
用句简单的话来讲，就是A叫B起来干活，而B虽然起来了，却反过来捅了A一刀，叫他闭嘴。可是，B本身也是个怂货，一段时间后就萎了，对A的抑制也就解除了。然后第二天，这样的好戏又再上演一轮。这就是生物钟的分子机制。
除了上面提到的PER，CRY，CLOCK和BMAL1之外，生物钟的重要调控分子还有TIM（Timeless）和DBT（Doubletime）等。
在果蝇中，TIM也是由CLOCK和CYCLE（对应哺乳动物中的BMAL1）调控表达的。当TIM被转录和翻译成蛋白质之后，就会和PER形成一个复合体，防止PER被降解掉。同时，这个复合体还能进入细胞核，抑制CLOCK和CYCLE的功能。而TIM是一个可以被光信号所降解的蛋白，由CRY这个感光蛋白来实现。因此，光线可以解除TIM对PER的保护，从而PER会在TIM降解之后，也缓慢地跟着降解。
而DBT（在哺乳动物中叫CKI）就是那个靶向PER让它降解的因子。当TIM和PER结合在一起的时候，DBT就没办法降解PER了。而当TIM被光刺激的信号所降解，PER就从复合物中暴露出来，被DBT磷酸化，从而被降解。在哺乳动物中，DBT还能够促进PER的核转移，从而使得PER能够去抑制细胞核里面的CLOCK和BMAL1。
（值得注意的是，昆虫和哺乳动物的生物钟调控机制有些许不同，但在这里就不铺开讲了。）
三、三位获奖者在昼夜节律研究的贡献
2017年诺贝尔生理或医学奖授予了上面三位老帅哥：Jeffery C. Hall，Michael Rosbash，Michael W. Young教授，以表彰他们在昼夜节律分子机制中的杰出贡献。
Jeffery Hall教授是最早一批研究白天基因PER的人。他首先是拿雄果蝇的求爱歌节律（courtship song，雄果蝇在求偶时会拍动翅膀，形成有规律的求爱歌），并发现PER基因的突变能够影响求爱歌的节律。
随后，他和Michael Rosbash教授合作，发现了PER蛋白能够负反馈抑制其本身转录的现象，从而奠定了生物节律的分子基础。随后，他们两人又一起共同发现了细胞时钟之间互相同步化的机制。
Jeffery Hall教授在他晚期的工作之中，进一步补充和完善了他所提出的生物钟负反馈调节通路理论，这其中就包括了第二部分所提到的TIM、CRY、CLOCK和BMAL1（在果蝇中是CYCLE）在生物节律中的作用。
读到这里，千万别以为Michael Rosbash教授只是在抱Jeffrey Hall的大腿。相反，他是第一个克隆出PER基因，并鉴定了果蝇中的CRY、CLOCK和CYCLE（对应哺乳动物中的BMAL1）基因的人。也就是说，没有Michael Rosbash的工作，就没有Jeffrey Hall研究的基石，更不用说，他也是生物节律负反馈调控机制的共同提出者。
Michael Young教授同样也是最早一批研究PER基因功能的人。说起来，他应该也算是Michael Rosbash教授的竞争对手，在学术期刊上也撕过x（见下图，Y教授说你们R lab的某个实验数据啊，不可重复，一点都不可赛艇，所以R教授只能撤稿惹）。他们两人竞先克隆PER基因，并研究其功能。Young教授同样发现，将PER基因导入到这个基因功能缺陷的果蝇之中，能够恢复其生物节律。
随后，Michael Young团队率先鉴定了生物钟重要的调控因子TIM，并将其序列阐明。他和合作伙伴一起发现，阳光能够导致TIM快速降解，并重设生物钟。随后，他还发现了能够降解PER蛋白的DBT，从而将生物钟负反馈调节中缺失的拼图给补充完整。
四、昼夜节律的进化
这个部分，我们不妨来思考，为什么生物会进化出昼夜节律呢？事实上，这个问题还是比较难以回答的。凡是涉及进化论的东西，都很难设计实验去重现千百万年的生物学过程，因此我们这里仅能从理（脑）论（洞）上进行一些推导。
植物进化出昼夜节律，这一点不难理解，因为光和光合作用的关系。但是动物，或者更微观一些的简单真核生物，又怎么说呢？
其中一个可能的因素是，光线与生存、繁衍息息相关。一些古老的，低等的，缺乏感光结构的生物，如果要从外周获取营养物质，只能是靠瞎摸，或者趋化作用，又或者是感受震动等。等到感光细胞的出现，甚至进化出视觉，光线可以帮助生物迅速发现猎物，躲避捕食者，同时也能找到啪啪啪的对象。而一旦到了晚上，光线变弱，有些生物就开始方了：去哪里找吃的？会不会被吃掉？啪啪啪会不会插错洞？手电筒在哪里？（大雾——）因此，在长期的选择之下，昼夜节律便出来了。而进化上又是充满着随机的，于是，另外一波生物则进化成了夜猫子，发展出夜视及其他在夜晚探测周围环境的能力。
但是问题又来了：假设所有的生物都没有进化出昼夜更替节律，那么对于任何一个生物来说，它的食物、捕食者和交配对象，也都不会有昼夜节律，那自然也不会有进化上的选择压力，来迫使昼夜节律基因的出现。
这个时候，我们就必须再引入一个可能参与调控生物钟的环境因素：温度。入夜，温度降低，然而绝大多数生物都没有维持体温的能力。因此在夜里，温度下降，代谢就会降低。而当太阳重新普照大地之时，温度提高，生物的代谢活性也跟着上升。因此，跟太阳光紧紧联系在一起的温度，也是促进生物钟进化的动力。
2010年一篇Science文章就报道了，外周时钟，而非中枢时钟，是温度敏感的，因此温度也是重设和同步时钟的重要环境因素。有关于温度如何在分子层面影响生物钟，有不少实验室在抢着做，因为这是和太阳光同等重要的生物钟调控与进化因素。这不，上面那篇两位Michael教授互相撕x导致被撤稿的那篇文章，就是在研究温度与生物钟分子的关系。
写到这里，不得不提一句，在原核生物中，也发现了具有昼夜节律的物种，那就是蓝细菌（Cyanobacteria）——一类最古老的（30-35亿年前便存在）具有光合作用能力的细菌，是推动地球从无氧变成有氧环境的大功臣，也被认为是植物叶绿体的祖先。目前已经鉴定出蓝细菌中的三个核心昼夜节律基因：kaiA，kaiB和kaiC。而至于这三个基因和真核生物的节律基因是否有进化上的亲缘关系，会不会是推动植物昼夜节律进化的动力之一，就超出我的射程范围了。
五、生物钟与人类疾病
生物钟的正常运作，和人体健康息息相关。生物钟的紊乱，会导致疾病。
为了理解生物钟和疾病的关系，我们必须先来关注一下生物钟参与了哪些正常的生理功能。前面讲了，在白天时，中枢时钟会告诉外周的时钟起来嗨，但到底起来嗨些什么呢？其中最重要的是细胞的生化代谢。
昼夜交替，跟进食、运动、睡眠是紧密联系的。因此，在物质和能量的输入和输出方面，昼与夜本身就存在着区别。但是生物钟影响代谢，却远不局限于控制外部的物质能量输入，它还能直接调控了生化代谢相关基因的表达。
通过转录组学的研究发现，在哺乳动物细胞中，约有10%的基因会呈现昼夜振荡表达的模式，而这其中就包括了糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢等重要基因。值得点出的是，虽然这10%的基因之中，只有很少的部分是生物钟核心通路的直接靶点，但是，生物钟信号通路能够调控一些与代谢相关的转录因子，从而间接地促进代谢基因也呈现昼夜振荡表达的模式。
因此我们不难理解，昼夜的节律被打乱，生物的正常代谢就会出现问题，引致疾病。
其中最著名的例子当属II型糖尿病与肥胖。比如有研究发现，那些睡得比较少的小朋友，长大后变成胖子的风险就会增大。另有研究发现，剥夺成年人的睡眠，会导致受试者对胰岛素的敏感性降低。
其次，生物钟紊乱也与心血管疾病有紧密联系。有研究发现，长期值夜班，会导致45-55岁的男性的心血管疾病风险提升1.6倍，而女性人群则是3倍。
近十来年也有一些研究在关注生物钟与肿瘤的关系。有许多独立的研究表明，长期值夜班的人群，其乳腺癌、前列腺、结肠癌的发病风险会有不同程度的提升。近期有一项研究表明，长期值夜班会导致DNA修复能力降低，进一步提供了生物学机制。有趣的是，如下图所示，在原癌基因MYC驱动的肿瘤中，MYC会强行霸占生物钟核心通路的CLOCK/BMAL1的作用区域E-box，从而破坏了细胞自身的代谢节律。
一句话总结：不要熬夜。
修仙什么的，会死的哟~
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