一文讀懂諾獎晝夜節律分子機制!失眠的果蠅和熬夜的科學家:科研無僥幸!

2017-10-03 Juka 轉化醫學網



就在昨日,2017年10月2日下午17點35分,年度諾貝爾獎生理學或醫學獎獲獎者名單正式公布。本次斬獲該獎項的為三位:Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young。
“2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young,以彰其在晝夜節律的分子機制方面的發現?!?
對于每一屆的諾貝爾獎,其在生物領域的研究發現斬獲的獎項都實至名歸。那么本屆諾貝爾獎得主,其研究有關“晝夜戒律的分子機制”到底有什么作用?為何這項研究可以在如今各項新研究噴涌的年代勇奪桂冠呢?
就讓我們一起來看看:為什么這一系列關于晝夜節律的研究可以斬獲諾獎!

晝夜節律是什么?

相信每一個人都或多或少的聽說過“生物鐘”這個名詞,而這就是晝夜節律的一種體現。在地球上生活的人們根據太陽來確定白天和黑夜(白晝和黑夜),而在千百年來人們基本都遵循著“晝出夜伏”的習慣,這是因為在人類沒有自保能力的時候,黑夜(看不見東西的時候)會給人類帶來極大的危險性,因此人們往往在這個時候選擇安全的地方進行睡眠,而經過千百年的演化,就成了人類社會的晝夜節律。(當然還有很多其他因素使人類形成晝夜節律,這只是舉了其中一個例子)
而我們定義的一天的時間也是地球自轉一周所需要的時間,約為24小時,也就是我們生命活動遵循的變動周期,而晝夜又把人類的生活分成兩部分,我們根據晝夜來規劃自己做的事情,這就是晝夜節律,而這種根據白天黑夜進行活動的晝夜節律又稱近日節律。
中國自古以來就有“日出而作,日落而息”,這就是晝夜節律或者說生物鐘的一個表現,而人們很早就認識到這種規律的誕生,可以說人類社會千百年間就知道這種規律,但是這種規律是怎么來的?人類又為什么會形成這種規律?人體到底是怎么調節的?而這些就是本次諾貝爾獎獲得者所做的事情:晝夜節律的分子機制。

諾貝爾獎獲得者都做了什么?

我們都知道,人體是最精密的儀器,她的每一個部分都咬合的精密細致到極點,這才能完成我們日常的生活。我們雖然認識到了人會追隨晝夜節律來活動,但是我們從來沒有真正的發現其本質原因:
細胞如何精確的調控約等于24小時的晝夜節律呢?這就是三位諾獎得主所做的事情。
那么為什么諾獎得主是三位呢?
讓我們回過頭來看晝夜節律是怎么形成的:
根據本次諾獎獲得者的研究來看,控制晝夜節律的基因有三個,分別為:周期基因(period gene)、無時間基因(timeless gene)以及雙倍時間基因(doubletime gene)。
那么這些基因是如何控制細胞進行24小時的精確晝夜節律調控呢?
首先登場的是周期基因(period gene)。周期基因(period gene)會編碼名為PER的蛋白質,這種PER蛋白質會在夜晚通過無時間基因(timeless gene)編碼產生的TIM蛋白質幫助從細胞質轉移到細胞核,并在細胞核中堆積,而PER蛋白質會在白天降解,這一個堆積降解的過程約為24小時,這就是一天的時間。而這個堆積和降解的過程就對應著人們的白晝和黑夜。而雙倍時間基因(doubletime gene)編碼的DBT蛋白的作用就是減緩PER蛋白的積累,從而可以實現晝夜節律的精確調控。

這就是晝夜節律的大致過程,而在這個過程當中:
TIM蛋白和PER蛋白一起綁定后進入細胞核會抑制周期基因(period gene)的的表達;
而另一個關鍵的發現是TIM蛋白可以根據日照來進行晝夜節律的調節,這就是人們常說的“倒時差”的過程,就是TIM蛋白在起作用。
而在這個過程當中,三位諾主的貢獻分別為:Jeffrey C. Hall和Michael Rosbash在周期基因(period gene)的發現及作用產生了無可替代的作用,而 Michael W. Young則發現了無時間基因(timeless gene)以及雙倍時間基因(doubletime gene)的作用。而在這個過程中:這三個人在研究的過程中齊心協力合作才使得一個完整的晝夜節律的輪轉過程被呈現在使人面前。而科學界的合作和信息共享也必然會推動科學技術的進步。
那么,這個發現有什么用呢?
這個諾獎,對于人類到底有什么用?
首先,治愈某些遺傳性疾病。在人類的遺傳性疾病中,有一種疾病叫做“睡眠時相前移綜合癥”(Advanced sleep phase disorder,ASPD),有這種遺傳病的患者的睡眠期間會前移,大約在晚上6點到8點入睡,凌晨3點醒來。而根據2001年的一項研究:ASPD致病機理是患者的hPer2(period基因的同源物)發生了基因突變,從而使得DBT蛋白無法正常的修飾降解PER蛋白。而當我們揭開晝夜節律的分子機制的面紗,我們對于這一類遺傳疾病就可以有更好的治療手段。
其次,治愈失眠。
隨著現代人各種方面的壓力倍增,人們的失眠情況越來越嚴重。而一旦當分子機制的結構被我們完整的剖析出來,這一類型治愈失眠的藥物或者說技術將會被不斷地開發出來,而這一切都是建立在我們已知睡眠節律調控過程的基礎上。
第三,揭示熬夜危害。每個人的身體都是精密的儀器,這個儀器最重要的部件就是細胞,細胞的晝夜節律控制著人的晝夜節律,而一旦人體違背這種晝夜節律,則必然會導致各類疾病的產生。而當我們知道了晝夜節律的分子結構,我們便有了一個具體的方法去判斷熬夜對于人體的損害到底是在哪一部分,會產生怎樣的危害。
最后,諾獎揭示基因的未來。當人類的研究水平進入到細胞分子水平的時代,基因必將成為人類走向未來的基礎。不論基因是潘多拉的魔盒還是通往真理的階梯,科學家們都將在基因這一塊不斷的推進研究?,F在我們知道基因編碼的蛋白質可以控制晝夜節律,未來我們未必不能發現基因控制這人類的記憶、行為以及其他重量級別的研究。而此次諾獎的發布,也告訴了人們:基因領域的研究,必將推動人人類社會的發展。

故事的起源

而說到這個諾獎的源頭,想必那一只睡不好的果蠅會感到萬分榮幸吧。
在1970年的時候,科學家Seymour Benzer 和他的學生 Ronald Konopka在實驗中發現了一只睡不好的果蠅:很有個性的白天睡覺,晚上嗡嗡叫。于是Seymour Benzer 對這個失眠的果蠅產生了興趣,經過進一步的研究發現:這只與眾不同的果蠅是因為體內的一個未知基因的突變從而失去了晝夜節律。
而這個未知的基因,后來被人們叫做:周期基因(period gene)。
這就是一切的開始。
所以,請不要放過實驗室里的每個細節,下一個諾貝爾獎,或許就在你不經意間的一個實驗當中出現!
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