邁克爾·羅斯巴什

在得知自己獲得了2017年度諾貝爾生理學或醫學獎時，邁克爾·羅斯巴什是從熟睡中被喚醒的。他對此感到非常意外，“不得不承認，我想都沒想過，完全沒有想到”。

邁克爾·羅斯巴什1944年出生于美國密蘇里州堪薩斯市，畢業于麻省理工學院，在那里取得了博士學位。獲獎時，他任職于馬薩諸塞州沃爾瑟姆市的布蘭迪斯大學和霍華德·休斯醫學院，是美國國家科學院院士、生物學教授、霍華德·休斯醫學院研究員。他的研究領域是晝夜節律、行為及基因表現，并發現了控制晝夜節律的分子機制。

30多年前，邁克爾·羅斯巴什開始了對黑腹果蠅晝夜節律的研究。這項研究是在他的實驗室團隊以及他的同事、布蘭迪斯大學的杰弗里·霍爾的編譯/ 朱林爽邁克爾·羅斯巴什實驗室團隊合作下展開的。他們當時制定的短期目標是克隆周期軌跡，長期目標則是確定普遍存在的晝夜節律所依賴的機制。他們首先從黑腹果蠅的周期基因（per）入手，因為在此之前10多年，羅納德·科諾普卡和西摩·本澤爾在他們開創性的行為遺傳學實驗中發現了這種基因。1984年，他們在

克隆和基因拯救方面的研究成果得到發表，但直到1990年，他們才對晝夜節律的機制有了一些理解。

保羅·哈丁在羅斯巴什的實驗室做博士后研究，他發現per基因的信使核糖核酸（mRNA）及其編碼蛋白（PER）在晝夜循環周期中會經歷一定程度的波動。這一發現表明PER蛋白對基因表達的負反饋回路十分重要，也表明per基因自身的轉錄受到影響。由于PER蛋白處于核心，研究者認為PER能夠直接抑制自身mRNA的轉錄，而在轉錄過程中暫時性抑制反饋回路是哺乳動物、植物、脈孢菌甚至藍藻菌的公認特性。此外，PER蛋白以及過去很多年間基因定義的許多其他生物鐘因子現大都得以保存下來，并且在哺乳動物的生物鐘中發揮類似的功能。這表明，果蠅的生物鐘機制及原理廣泛存在于動物世界。

盡管轉錄因子和轉錄調控在晝夜節律中起著十分關鍵的作用，但是轉錄后調控也得到了研究者的格外重視，這是由于激酶突變體能夠對果蠅和哺乳動物生物鐘產生有效的影響。同時，對藍綠細菌晝夜節律系統的研究也取得了顯著成就。另外，近期的研究結果顯示，哺乳動物具有一種晝夜節律鐘，能夠在不發生轉錄和轉譯的情況下發揮作用。盡管如此，羅斯巴什及其同事在短期

目標（如上文所述）上取得的研究結果仍然驗證了轉錄調控的重要性。例如，只有為數不多的果蠅基因在數量上受到控制時，才能夠對晝夜節律產生影響，而且這些影響晝夜節律的基因都是轉錄因子。

羅斯巴什團隊對晝夜節律的研究有三個主要目標：①發現果蠅晝夜節律發生的具體機理;②找到晝夜節律基因表達調控的發生規律;③了解果蠅大腦中與晝夜節律相關的神經回路及個體晝夜節律神經元的功能。此外，他們的研究還包括一些晝夜節律之外的工作，更多地關注基因表達調控的基本問題。

他們使用各種生物化學和遺傳學方法，深入剖析影響生物鐘的轉錄及轉錄后的調控機制，目的是尋找新的生物鐘基因，同時發現其他調節機制。他們的晝夜節律實驗結果顯示，Clk與per能夠與大量潛在的直接目標基因進行周期性結合。其中一些基因編碼成蛋白，很可能有助于轉錄的調控作用;還有一些基因在晝夜節律的轉錄后調控中能夠發揮潛在的作用。這說明，核心轉錄反饋回路可能位于某些轉錄后調控模式的上游。對于發現的大量直接目標基因的一種有趣解釋是，

用于各種實驗的果蠅頭部組織具有異質性。事實上，羅斯巴什團隊已經找到一些證據，表明晝夜節律機制可以在不同的細胞中獲取不同的直接目標基因，并且在不同的位置使用不同的轉錄起始位點。

此外，羅斯巴什團隊使用了高通量測序技術來解決有關晝夜節律的新問題和老問題。例如，對于果蠅頭部mRNA的晝夜節律振蕩范圍有多大這一問題，許多實驗室都是通過基因芯片陣列來探討的，而羅斯巴什團隊使用高通量測序技術來估測mRNA 的循環周期。此外，這項技術還可對RNA周期與新生RNA 周期進行比較，從而用于解決基因從本源上進行轉錄的實際量問題。在這一研究中，他們還發現果蠅頭部擁有產生晝夜節律振蕩的微分子核糖核酸（miRNA），而且有些miRNA的循環振幅十分顯著。這表明，miRNA的半衰期一定很短。這一發現對于新陳代謝或miRNA的研究很有啟發。之前科學界普遍認為新陳代謝和miRNA通常都非常穩定，但對于它們是如何衰退的，現在仍不得而知。這一發現還表明，轉譯調控對晝夜節律非常重要。事實上，最新研究結果表明，大量的miRNA調控著重要的晝夜節律轉錄因子Clk的轉譯過程，并且會以晝夜節律的方式對特定生理目標基因的轉譯產生影響。整體來說，轉譯節律調控是一個新興的研究領域。

在過去幾年中，羅斯巴什的實驗室還對果蠅晝夜節律的各種腦神經元進行了研究。從解剖學上講，腦神經元可分為7種獨特的神經元組，在成年果蠅大腦的每側總共有約75個細胞。這些細胞表現為高層次的生物鐘基因，通常能夠使生物鐘基因mRNA和蛋白產生強烈的晝夜節律同步振蕩。小型腹側神經元控制昆蟲活動模式的上午活動峰值，另一個神經元組控制著夜間活動峰值。此外，控制上午活動峰值的神經元組在持續的黑暗中能夠發揮主要作用。那么，這些晝夜節律神經

元之間是如何相互作用的？基因表達機制和神經元放電之間存在著什么樣的關系？羅斯巴什的團隊對這些問題充滿了興趣，并打算進行深入研究，以提出一個更為科學的解釋。盡管核心生物鐘基因大量存在于所有大腦晝夜節律神經元中，但許多mRNA似乎以晝夜節律神經元的特異性方式存在。如上所述，這種差異可能與神經元亞組的特別功能有關。在專門神經元子集中表現的mRNA在

不影響其他神經元的情況下，也能夠調控特有的晝夜節律神經元。因此，羅斯巴什的團隊打算將對神經元的研究擴展到果蠅大腦的其他神經元組織和高通量測序分析中。

另一個相關的關注點是基因表達是如何對各種環境刺激做出反應的，目前最熱門的研究是光照環境。在晝夜循環和相位復位中，光起著重要而且普遍的作用。此外，光對不同的神經元子集似乎也有不同的影響，例如，有的節律神經元組的光感直接反應在光線打開時（黎明），而有的神經元組的光感反應在光線關閉時（黃昏）。有趣的是，黎明神經元細胞是喚醒細胞，而黃昏神經元細胞能夠促進睡眠，這就是動物晝出夜伏的原因。

睡眠是羅斯巴什團隊的另一個研究領域，他們正試圖找出對睡眠有重大影響的其他腦神經元。目前的研究成果主要在晝夜節律網絡之外。他們將這些不同的與睡眠相關的神經元組和不同的體內方法相結合，以此調節神經元的功能，試圖深入了解睡眠調節機制的路徑和規律。

最后，羅斯巴什團隊使用高通量測序技術解決剪接和轉錄后的調控問題。他們通過對果蠅組織培養細胞的新生RNA進行排序，試圖從基因組層面測量發生新生剪接的情況。這一研究目前仍然處于描述性分析階段，但羅斯巴什希望很快能進入解決機制性問題的階段。比如，剪接的晝夜節律調控是如何發生的？這些剪接事件對核心晝夜節律起作用嗎？在晝夜節律控制下，還有其他轉錄后的調控方式嗎？

現在，人們對生物鐘早已習以為常，習慣了白天與黑夜交替，這實際上是對環境影響的原始適應。羅斯巴什說：“我們之前都沒有把行為和基因放在一起考慮。大家知道，所有人都沒有這樣做……研究工作需要一種工匠精神，我們只比別人往前多走了一步。我們做了很多實驗，也失敗過很多次，但事后看來，這其中包含許多真理。”