以高中生物學知識為背景解讀2017年諾貝爾生理學或醫學獎

吳勁松

(江蘇省高淳高級中學 南京 213000)

關鍵字 生物鐘 諾貝爾獎 高中生物學

2017年諾貝爾生理學或醫學獎頒發給美國三位科學家Jeffrey C Hall(杰弗理·霍爾)、Michael Rosbash(邁克爾·羅斯巴希)和Michael W Young(邁克爾·楊)，以表彰他們在“發現控制晝夜節律的分子機制”方面的研究。生物鐘是生物體內周而復始的節律，如植物的春華秋實、動物的晝行夜伏……常見的近24h晝夜節律是典型的生物鐘之一。

1 生物鐘的研究

1.1 開啟生物鐘研究的大門 1971年，Seymour Benzer和Ronald Konopka利用果蠅突變體研究生物鐘[1]，他們首先建立檢測表型的方法： 用致變劑誘導果蠅的基因發生突變，并檢測果蠅活動的變化，發現確實有晝夜規律，但工作量比較大。后來，Konopka用果蠅一生一次的羽化這一特征作為篩選方法，發現篩選到的突變果蠅的運動晝夜節律異常。三種品系的突變果蠅在表型上不相同： 一種沒有節律，一種節律周期加快到19h，一種節律變慢到28h。然后將該突變種與已有的其他突變種交配，確立三種突變在染色體圖譜的大概位置，結果發現很近。通過進一步把三種突變相互交配，進行順反檢測，根據得到的結果推測三種突變可能是同一個基因的不同突變。于是，把這個基因命名為period(per)。per基因很可能是生物鐘的關鍵基因之一。但是，20世紀70年代重組DNA技術剛發明，由于技術的缺乏很難得到per基因的DNA序列。

1.2 生物鐘關鍵基因的克隆 1984年，Michael Young、Jeffrey Hall與Michael Rosbash三個研究果蠅的團隊幾乎同時發表論文： 克隆出Per基因附近的基因組DNA[2，3]。這段DNA可以產生4.5kb和0.9kb兩種mRNA，并編碼相應的蛋白質PER，其水平存在24h的周期性起伏，與晝夜節律相一致。將編碼4.5kb mRNA的基因組DNA轉入果蠅，可以使per突變種果蠅的晝夜節律恢復正常。進一步發現，改變導入的per基因表達的相位可改變果蠅晝夜節律的相位。之后，Baylies還確定了Konopka實驗中per基因在最初三種突變株的DNA變化：per0、pers和perl，分別表示提前終止、兩個不同部位的堿基變化[4]。

1.3 反饋調節的生物鐘機制 1990年，Michael Rosbash和Jeffrey Hall實驗室的博士后Paul Hardin終于在果蠅的頭部以每個小時為單位檢測得到per的mRNA，發現其含量呈晝夜變化；在pers中，其mRNA晝夜周期也縮短[5]。他們提出簡單的模型：per基因轉錄mRNA、翻譯產生PER蛋白的過程存在負反饋，per的mRNA或蛋白質產生后，可以影響per基因自身的轉錄。之后，實驗組制造出PER蛋白的抗體，抗體可以識別PER蛋白以此確定其在細胞內的位置。實驗結果表明： PER蛋白既可以存在于細胞核、也可以存在于細胞質[6]。隨后，Michael Young實驗室的Seghal等人通過篩選7000多個突變種找到影響果蠅生物鐘的新基因timeless(Tim)，很快克隆出該基因并猜測TIM蛋白是一種轉錄因子[7]。1996年，Rosbash實驗室發現TIM蛋白影響PER蛋白出入細胞核，TIM與PER兩個蛋白質可以形成復合物抑制per基因的轉錄，且該復合物的存在與消失呈晝夜節律，其原因是光可以調節TIM蛋白的穩定性，從而提供了光對生物鐘的調節的分子機理(圖1)[8]。

圖1 晝夜節律生物鐘的分子機理圖

1.4 哺乳動物的生物鐘基因 1994年，Joseph S Takahashi實驗室研究了304只小鼠，他們從突變體(第25只小鼠)發現了影響小鼠生物鐘的基因，將其命名為“clock”[8]。正常小鼠生物鐘的周期是23.7h，clock雜合的突變鼠晝夜節律為24.8h。變化可謂微妙，需要可靠的檢測才能發現。從雜合體檢測出微小但可靠的變化后，Joseph實驗室通過小鼠交配而獲得clock基因突變的純合體，其表型很強，完全喪失節律[9]。

經過幾十年的研究，科學家現在對動物中以24h為周期的生物鐘的構成和機理已經有了基本了解。動物生物鐘的循環基本上是一個基因表達的負反饋環路，即迄今為止被公認的“轉錄—翻譯負反饋環”(transcription-translation feedback loop, TTFL)。

2 人體生物鐘與健康

所有的生物性狀都是自然對生物適應環境的變化而選擇的結果。有利于生存和繁殖的性狀就在生物演化的過程中被自然選擇保留了下來。生物鐘讓一個生物個體預見到食物的定時出現而提前準備并及時到場，生物鐘也使生物預見不利于生理活動的事件，如對高溫和寒冷的定時出現而提前規避。能掌握環境變化規律并預見環境變化的物種顯然有生存和繁殖的優勢，因此被自然所選擇。生物鐘的元件和機理就這樣在長期的生物演化過程中被自然選擇保留了下來，成了普遍的生物現象。

人的生物鐘就是人體內隨時間作周期變化的生理生化過程，以及形態結構和行為變化等現象。人體的各種生理指標，如脈搏、體溫、血壓、體力、情緒、智力等，都會隨著晝夜交替產生周期性變化。例如，體溫早上4時最低，下午6時最高，相差約1℃。科學家經過多年的研究，已經對人體許多生理生化活動的晝夜節律現象有了比較清楚的了解(圖2)。

0～12點

12～24點

生物鐘的正常工作對人體健康起著重要作用。生物鐘失調會導致失眠、體乏、抑郁、免疫功能低下，甚至產生包括腫瘤在內的各種疾病。根據人體生理生化活動的周期性變化，可以合理安排一天的活動，從而使工作和休息效率達到最高，也使得人的身心健康狀態達到最佳。

3 生物鐘與高中生物學教學的聯系

3.1 基因的表達 高中生物學必修2“遺傳與進化”模塊中，基因的表達一章是重點內容，描述的是具有遺傳效應的DNA片段(基因)如何攜帶遺傳信息傳遞到細胞質，然后轉化為相對應的蛋白質發揮功能。教師在“遺傳信息的轉錄”新授課中，可以引導學生回憶并思考果蠅在遺傳學上的經典實驗，并結合圖1中per基因指導合成蛋白質PER的示意圖提出問題串： ①什么是基因？基因位于哪里？②基因能直接合成蛋白質嗎？為什么？③mRNA是什么？如何形成？通過結合圖形循序漸進讓學生了解并掌握轉錄的過程。

3.2 反饋調節 高中生物學必修3“穩態與環境”模塊中，對反饋調節的描述為： 在一個系統中，系統本身的工作效果,反過來又作為信息調節該系統的工作，這種調節方式叫做(負)反饋調節。本概念抽象、理解難度較大。教師在授課時往往采用舉例(如冰箱制冷)的形式來讓學生理解概念，但是效果甚微。建議授課老師可以展示出生物鐘的分子調節模式圖，結合必修2的“轉錄”與“翻譯”知識點，讓學生自己嘗試說出per基因如何周期性控制蛋白PER的合成。最后，教師結合圖解解釋“負反饋”的概念，這樣可能事半功倍。

3.3 試題命制 各省歷年高考生物學試題均會與當年的最新科研或諾貝爾獎有關研究相聯系。例如，2016年江蘇卷第18題考查CRISPR/Cas9基因編輯技術，第30題考查青蒿素對瘧疾患者群體基因型的影響，2017年江蘇卷第28題考察葡萄糖轉運載體(GLUT)與糖尿病的關系分析等。這要求教師在平時教學之外，應該去關注生物學最新的科學前沿研究，把握最新的科學動態。以科研成果為背景命題，不僅考查學生對高中生物學基礎知識的把握，還能提高學生對生物學科的學習興趣。