哺乳動物晝夜節(jié)律的調(diào)控及其分子機制*

肖義軍 鐘磊發(fā)

（福建師范大學生命科學學院 福建福州 350108）

自然界的生命活動有著各種各樣的節(jié)律，各種節(jié)律中最普遍的是晝夜節(jié)律，不僅睡眠有晝夜節(jié)律，很多其他行為和生理活動也都有晝夜節(jié)律。研究發(fā)現(xiàn)，晝夜節(jié)律本質(zhì)上是內(nèi)源性的，由生物自身因素控制，并可對環(huán)境（例如光、溫度、進食時間等）變化作出適應(yīng)性調(diào)整，環(huán)境變化可造成晝夜節(jié)律的暫時混亂，從而影響生物體的生理活動。從單細胞藍綠藻到多細胞的人，各種生物的生命活動大多有晝夜節(jié)律，并且遵循相似的分子調(diào)控機制。自1971年在果蠅中發(fā)現(xiàn)第1 個控制晝夜節(jié)律的基因以來，晝夜節(jié)律的內(nèi)在調(diào)控機制已逐漸明朗。美國布南迪斯大學的邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和杰弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）及洛克菲勒大學的邁克爾·楊（Michael W. Young）因在晝夜節(jié)律分子機制研究上取得的成績，獲得了2017年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。晝夜節(jié)律的調(diào)控機制在進化上很保守，哺乳動物遵循著與果蠅類似的調(diào)控機制。本文綜述哺乳動物晝夜節(jié)律調(diào)控及其分子機制的研究進展。

1 哺乳動物晝夜節(jié)律調(diào)控的分子機制

尋找晝夜節(jié)律調(diào)控基因的工作早期主要是在果蠅中完成的。第1 個被發(fā)現(xiàn)的晝夜節(jié)律生物鐘基因是果蠅的per基因。Ronald Konopka 和Seymour Benzer［1］采用果蠅的羽化和晝夜活動規(guī)律變化為指標，篩選到3 種晝夜活動節(jié)律異常的突變果蠅品系： 一種沒有節(jié)律，一種節(jié)律周期變短到19 h，一種節(jié)律變長到28 h。3 種突變是同一基因的不同突變引起的，他們將該基因命名為period（簡寫per），無節(jié)律的為per0（per zero）、節(jié)律短的為pers（per short）、節(jié)律長的為perl（per long）。以后進一步的研究發(fā)現(xiàn)per基因編碼的PER 蛋白是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。

在以后的研究中陸續(xù)又發(fā)現(xiàn)其他調(diào)控果蠅晝夜節(jié)律的生物鐘基因有andante、jrk、tim、cry、cyc、dbl等。其中jrk基因產(chǎn)物可調(diào)節(jié)per基因的表達，同時也受PER 蛋白的調(diào)控。tim基因編碼的蛋白受光的調(diào)節(jié)，通過與PER 蛋白的結(jié)合影響cry基因的產(chǎn)物CRY 蛋白進出細胞核。CRY 蛋白通過調(diào)節(jié)per基因和tim基因的表達介導環(huán)境中光對身體內(nèi)在生物鐘運轉(zhuǎn)的影響［2］。

果蠅中發(fā)現(xiàn)的這些調(diào)控晝夜節(jié)律的生物鐘基因在哺乳動物基因組中大多有對應(yīng)物。調(diào)節(jié)哺乳動物生物鐘的第1 個基因tau在1988年被發(fā)現(xiàn)，2000年被成功克隆，它的基因產(chǎn)物是一種蛋白激酶CK1ε。第2 個被發(fā)現(xiàn)的哺乳動物生物鐘基因是時鐘蛋白基因clock，其基因產(chǎn)物CLK 蛋白是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，與果蠅的jrk基因是同源基因。果蠅中最早發(fā)現(xiàn)的per基因也于1997年在小鼠和人中找到同源基因，哺乳動物中的per基因有3個：per1、per2和per3，它們的表達產(chǎn)物有晝夜節(jié)律變化，并且受clock基因的調(diào)控。在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的其他晝夜節(jié)律生物鐘基因還有隱花色素基因cry1、cry2，腦部與肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白基因Bmal1和孤兒核受體基因Rev-ErBα等［3］。

生物鐘基因調(diào)控晝夜節(jié)律的基本模式在各種生物中基本相似：即轉(zhuǎn)錄—翻譯—抑制轉(zhuǎn)錄的負反饋模式，生物鐘基因節(jié)律性轉(zhuǎn)錄表達的生物鐘蛋白作為調(diào)節(jié)元件促進其他相關(guān)基因表達，再通過負反饋作用抑制自身的轉(zhuǎn)錄。目前研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物晝夜節(jié)律調(diào)控機制中主要有2 個反饋環(huán)路［4］，第1 個環(huán)路中由clock和Bmal1基因翻譯的蛋白mCLK 和BMAL1 先在細胞質(zhì)中形成一個異二聚體，然后轉(zhuǎn)運入核，在細胞核中結(jié)合到cry和per基因的啟動子上，激活它們的轉(zhuǎn)錄，mCLK 和BMAL1 蛋白形成的異二聚體是生物鐘相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的起始動力。cry和per基因啟動后翻譯出CRY 和PER 蛋白，隨著轉(zhuǎn)錄翻譯的進行，蓄積在細胞質(zhì)中的CRY 和PER 蛋白逐漸增多，它們通過磷酸化作用被激活后相互作用形成異二聚體，轉(zhuǎn)運入核，借助PER 蛋白的PAS 結(jié)構(gòu)域結(jié)合到CLK/BMAL1 二聚體上，降低CLK/BMAL1 二聚體的轉(zhuǎn)錄激活作用，達到抑制自身轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。無論是細胞質(zhì)還是細胞核中已被磷酸化的PER 蛋白在被CK1ε 激酶再次磷酸化后都會被降解。第2個環(huán)路，二聚體CLK/BMAL1 激活孤兒核受體基因Rev-ErBα的轉(zhuǎn)錄，其翻譯產(chǎn)物REV-ERBα 蛋白則通過結(jié)合到Bmal1基因的啟動子上抑制Bmal1基因的轉(zhuǎn)錄。因此，在節(jié)律調(diào)控時，當mPERl 和mPER2 轉(zhuǎn)運到細胞核內(nèi)與mCRY1 和mCRY2 形成穩(wěn)定的負調(diào)控聚合物后，可以直接抑制CLK/BMAL1 二聚體促進的轉(zhuǎn)錄活性，在抑制mPER1和mPER2 表達的同時，也會抑制Rev-ErBα基因的轉(zhuǎn)錄，使得Bmal1基因的轉(zhuǎn)錄抑制被解除，隨即BMAL1 蛋白表達量增加，進入到下一個節(jié)律振蕩循環(huán)。

2 哺乳動物晝夜節(jié)律的同步機制

多細胞生物的每一個細胞自身生命活動均存在晝夜節(jié)律，但機體需要根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整其生物鐘的相位，而體內(nèi)的很多細胞無法直接感受環(huán)境（例如光、溫度等環(huán)境因子）的變化，因此多細胞生物通過體內(nèi)存在的一個通訊系統(tǒng)同步體內(nèi)各組織器官細胞的晝夜節(jié)律。對包括人在內(nèi)的哺乳動物來說，下丘腦視交叉上核、腎上腺、各組織器官甚至腸道菌群都參與了體內(nèi)晝夜節(jié)律的同步化。

下丘腦視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）是哺乳動物晝夜節(jié)律的控制中心，它的損傷會導致機體晝夜節(jié)律異常［5］。在晝夜完全黑暗的環(huán)境下，人體或小鼠能維持1 周左右相對正常的節(jié)律，但相同條件下SCN 損傷的小鼠晝夜節(jié)律很快混亂。SCN 接收的環(huán)境信號包括光信號和非光信號，光信號由視網(wǎng)膜光敏感神經(jīng)節(jié)細胞接收后傳至SCN，非光信號來自處理感覺信息的膝狀神經(jīng)核間小葉，腦干的延髓縫中核也參與SCN 對生物鐘的調(diào)節(jié)。SCN 本身不同區(qū)域的功能也不同，例如其腹外側(cè)主要負責接收光信號，其細胞基因的表達受光的調(diào)控，背側(cè)主要輸出晝夜交替的節(jié)律信號給外圍的器官與組織。SCN 的神經(jīng)元末梢大量分布到下丘腦和外圍組織器官中，不僅能控制神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的活性和激素的分泌，也能控制外圍組織對這些激素的敏感性。SCN 同步全身晝夜節(jié)律主要通過分泌神經(jīng)遞質(zhì)和激素傳遞信號，神經(jīng)遞質(zhì)主要有氨基丁酸、 血管活性小腸肽和后葉加壓素，激素主要有轉(zhuǎn)化生長因子、生長抑素和前動力蛋白（prokineticin 2，PK2）等。

腎上腺也是一個很重要的晝夜節(jié)律調(diào)控器官［6］，其活動受視交叉上核控制，同時也具有自身的節(jié)律。有研究表明，當動物生活在正常的明暗交替條件下，視交叉上核的損傷對其晝夜節(jié)律的影響并不顯著，因為腎上腺節(jié)律分泌的腎上腺皮質(zhì)素能夠起到同步機體其他組織器官生物鐘的作用。正常情況下，腎上腺皮質(zhì)素的分泌高峰在日出之前，主要起激發(fā)心血管系統(tǒng)和能量代謝的作用，為機體運動、捕食提供能量。腎上腺皮質(zhì)素通過其靶細胞上的受體調(diào)控外圍組織器官細胞中生物鐘基因的表達，實現(xiàn)對外圍組織器官生物鐘節(jié)律的同步化調(diào)控。

外圍組織器官晝夜節(jié)律主要受視交叉上核和腎上腺調(diào)控，但動物的行為習慣也為其生物鐘提供時間信息，參與到機體生物鐘的同步機制中。例如，相關(guān)代謝組織能夠通過糖皮質(zhì)激素、胰島素、瘦素、胃饑餓素等的協(xié)同作用，使得血液中的葡萄糖濃度呈現(xiàn)24 h 間有節(jié)律地波動，血液中葡萄糖濃度的節(jié)律波動就被當做一種信號協(xié)助相關(guān)組織器官的生物鐘系統(tǒng)同步［7］。當相對固定的進食時間被改變后，機體的血糖節(jié)律會被打破，外圍組織提供的時間信息與視交叉上核提供的時間信息發(fā)生沖突，機體的生物鐘會暫時發(fā)生混亂。但機體能夠在隨后通過調(diào)整對食物的應(yīng)答重置生物鐘。人體多數(shù)外圍組織器官的節(jié)律能夠在進食時間改變后的1 周內(nèi)與當下的進食時間完全同步。外圍組織器官參與生物鐘同步，主要通過自身的代謝節(jié)律調(diào)控營養(yǎng)因子和激素的分泌。腸道菌群現(xiàn)在被看作是人體的另一種器官，有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可以分泌某些成分影響小腸上皮細胞生物鐘基因的表達，調(diào)節(jié)其生物鐘［8］。

認識生命活動的晝夜節(jié)律調(diào)控機制，不僅是一個有趣的科學問題，可以使人們對生命現(xiàn)象有更深的理解，還可以解決很多現(xiàn)實問題，例如通過了解時差形成的原因進而發(fā)明相關(guān)藥物，通過對身體活動節(jié)律的了解可以找到更適合的給藥時間等。人類的很多疾病也與晝夜節(jié)律的混亂相關(guān)，已有不少的研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘混亂與肥胖、高血壓、腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)［9］，通過對人體晝夜節(jié)律機制的研究，有助于了解相關(guān)疾病的發(fā)病機制從而達到更好的預(yù)防與治療效果。