生物鐘研究進(jìn)展及與人類健康的關(guān)系

1、生物鐘研究進(jìn)展及與人類健康的關(guān)系摘 要 生物鐘是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)環(huán)境周期性變化而演化出的一種內(nèi)在計(jì)時(shí)機(jī)制，具有重要的生理調(diào)節(jié)功能。生物鐘領(lǐng) 域的研究對(duì)于揭示生命運(yùn)行規(guī)律具有重要作用。本文對(duì)生物鐘研究的發(fā)展歷程以及生物鐘與人類健康的關(guān)系進(jìn)行了綜述，以期為 生物學(xué)課堂教學(xué)中貫穿健康生活理念、落實(shí)社會(huì)責(zé)任提供素材！關(guān)鍵詞生物鐘生物節(jié)律生物鐘紊亂疾病健康生活社會(huì)責(zé)任日出而作、日落而息是人類在與大自然“和解”過(guò) 程中形成的行為。其實(shí)不僅僅是人類,世間萬(wàn)物都在 順應(yīng)著既定規(guī)律生長(zhǎng)，一座無(wú)形的“鐘”指引著生物體 精巧地配合著大自然的運(yùn)行規(guī)律，這就是生物鐘。地 球有晝夜、季節(jié)等周期性更替，相應(yīng)地，地球上

2、生活著 的生物也進(jìn)化出一系列調(diào)控機(jī)體周期性生理生化過(guò)程 的機(jī)制，以適應(yīng)地球環(huán)境的變化。生物體表現(xiàn)出的這 種周期性變化特征被稱為生物節(jié)律(biological rhythms)，而生物鐘(biological clock)正是生物體感知 環(huán)境信號(hào)并調(diào)控周期性生物節(jié)律產(chǎn)生的內(nèi)源計(jì)時(shí)機(jī) 制1 !它幫助生物預(yù)測(cè)并適應(yīng)晝夜節(jié)律變化，使其更 好地在地球環(huán)境中生存?？茖W(xué)家為了揭示生物鐘工作 的內(nèi)在機(jī)制，開展了大量的工作。1生物鐘研究的發(fā)展歷程1. 1 早期生物節(jié)律現(xiàn)象與決定因素的探索科學(xué)家 對(duì)生物鐘開展的研究始于植物，1729年法國(guó)天文學(xué)家 de Mairan注意到了含羞草葉片的晝開夜合變化，引發(fā) 了他對(duì)含

3、羞草葉片開合規(guī)律的思考與探究。他將含羞 草放在持續(xù)黑暗環(huán)境中，觀察到其葉片依舊會(huì)進(jìn)行周 期性開合，由此提出含羞草葉子的周期性運(yùn)動(dòng)受內(nèi)在 “時(shí)鐘”控制的見解。隨后，其他研究者發(fā)現(xiàn)動(dòng)物和人 體內(nèi)同樣存在類似的生物鐘，晝夜節(jié)律(circadian rhythm)、月 節(jié)律(lunar rhythm)、年 節(jié)律(cirannual rhythm)等概念也被相繼提出。生物節(jié)律現(xiàn)象被實(shí)驗(yàn)證實(shí)后，越來(lái)越多的科學(xué)家 想找出是什么因素決定了該生命活動(dòng)，直到20世紀(jì)中 期遺傳學(xué)的發(fā)展才使其得以成為可能。1932年，德國(guó) 生物學(xué)家Bunning以多花菜豆為實(shí)驗(yàn)材料，用遺傳學(xué) 雜交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了生物節(jié)律的內(nèi)源可遺傳性。1

4、954年， 美國(guó)生物學(xué)家Pittendrigh發(fā)現(xiàn)果蠅的羽化周期在16 26B溫度范圍內(nèi)均可維持在24 h左右，他把這種現(xiàn)象 稱為生物節(jié)律的溫度補(bǔ)償(temperature compensation) 特性1962年，Aschoff關(guān)注了人類生理指標(biāo)的晝夜節(jié) 律變化，發(fā)現(xiàn)在與外界環(huán)境隔離的情況下，人體睡眠、 體溫等指標(biāo)仍然維持接近于24 h的較為穩(wěn)定的晝夜節(jié) 律性周期，而環(huán)境中的多種信號(hào)(如溫度、光照、進(jìn)食 等)可以作為授時(shí)因子(time giver)調(diào)節(jié)機(jī)體的晝夜節(jié) 律相位。上述三位科學(xué)家也因在生物節(jié)律研究方面做 出的杰出貢獻(xiàn)被譽(yù)為生物鐘研究領(lǐng)域的創(chuàng)始人。到20世紀(jì)60年代末，基于科學(xué)家在生

5、物節(jié)律領(lǐng) 域內(nèi)不同方向的研究成果，已明確：生物節(jié)律具有內(nèi) 源性、自主性以及可遺傳的特點(diǎn)，其不完全依賴于環(huán) 境,但光照等環(huán)境信號(hào)可以作為授時(shí)因子對(duì)生物節(jié)律 進(jìn)行整合與校準(zhǔn)，其中在一定溫度范圍內(nèi)，生物節(jié)律具 有溫度補(bǔ)償?shù)奶匦?1.2近現(xiàn)代對(duì)生物鐘分子機(jī)制的揭示伴隨遺傳學(xué) 以及分子生物學(xué)的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)家將目光聚焦到了 對(duì)調(diào)控生物節(jié)律的內(nèi)源機(jī)制的研究中。20世紀(jì)70年 代，美國(guó)加州理工學(xué)院的Benzer教授和他的學(xué)生 Konopka利用化學(xué)誘變對(duì)晝夜節(jié)律失調(diào)突變體果蠅進(jìn) 行了篩選2,并鑒定出了突變基因period ( per),由此 per基因成為第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的生物鐘基因，這在生物鐘 分子機(jī)制研究領(lǐng)

6、域中具有里程碑意義。1984年，波士 頓布蘭迪斯大學(xué)的Hall和Rosbash3，以及紐約洛克菲 勒大學(xué)的Young4都分別成功克隆出果蠅per基因。 1990年，Hall和Rosbash還揭示，per基因編碼的PER 蛋白呈現(xiàn)夜間積聚、白天降解的情況，其表達(dá)水平在 24小時(shí)內(nèi)與晝夜節(jié)律間保持同步振蕩，由此他們推 測(cè)：PER蛋白可能通過(guò)負(fù)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)了 per基因表 達(dá),從而實(shí)現(xiàn)蛋白周期性波動(dòng)。Young于90年代也相 繼發(fā)現(xiàn)了 timeless和doubletime兩種生物鐘基因，它們 的表達(dá)產(chǎn)物TIM蛋白和DBT蛋白均參與到維持生物 鐘體制的穩(wěn)定!隨著研究深入，越來(lái)越多的生物鐘基因被發(fā)現(xiàn),

7、生 物鐘的關(guān)鍵分子機(jī)制一轉(zhuǎn)錄-翻譯負(fù)反饋環(huán)路 (transcription-translation feedback loops, TTFL)也被科 學(xué)家揭示(圖1),其過(guò)程大致為：生物鐘基因表達(dá)的 TIM蛋白與PER蛋白在細(xì)胞質(zhì)中積累，達(dá)到一定濃度 后結(jié)合形成二聚體進(jìn)入細(xì)胞核，進(jìn)而抑制period和 timeless基因活性，由此完成負(fù)反饋調(diào)控；同時(shí)，多種其 他的生物鐘元件與基因也參與了該反饋環(huán)路,形成復(fù) 雜而穩(wěn)定的周期震蕩機(jī)制。至此，生物鐘的調(diào)控本質(zhì) 真正被揭示。鑒于Hall和Rosbash以及Young在生物 鐘基因克隆和分子調(diào)控機(jī)制研究中的重要貢獻(xiàn)，三位 科學(xué)家于2013年被授予邵逸夫

8、獎(jiǎng)，并于2017年獲得 諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。后續(xù)的研究還表明，不同生 物的生物鐘基因與元件存在一定差異，但TTFL是不同 物種生物鐘依賴的主要機(jī)制。圖1果蠅生物鐘分子調(diào)控機(jī)制項(xiàng)2人類生物鐘與健康2. 1人類生物鐘調(diào)控機(jī)制 人體的各種生命活動(dòng)(如 體溫變化、血壓波動(dòng)以及睡眠覺(jué)醒行為等)幾乎都受到 生物鐘的調(diào)控。人體生物鐘包括了中央生物鐘和外周 生物鐘。下丘腦 的視交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)作為人體的中央生物鐘，是人體內(nèi)生物 節(jié)律中樞，也是生物節(jié)律信號(hào)產(chǎn)生和輸送的源頭；外周 生物鐘則存在于其他腦區(qū)、全身外周組織與器官中，它 們是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成

9、的以24小時(shí)為周 期的相對(duì)獨(dú)立的生物鐘。其中，中央生物鐘具有調(diào)控 和協(xié)調(diào)外周生物鐘保持同步運(yùn)行的作用，因而被稱為 “主鐘”。不同物種的生物鐘其組成相似，都包括核心振蕩 系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)3部分，人類的中央生物鐘 和外周生物鐘也如此。核心振蕩系統(tǒng)即TTFL振蕩器, 這是生物鐘的“內(nèi)核處理器”，如圖1所示，其由一組呈 節(jié)律表達(dá)的基因及它們編碼的蛋白組成，人和哺乳動(dòng) 物的TTFL振蕩器與果蠅類似，但鐘基因以及元件有所 不同，并且會(huì)由多個(gè)正負(fù)調(diào)節(jié)環(huán)組成。輸入系統(tǒng)負(fù)責(zé) 將環(huán)境信號(hào)傳遞給TTFL振蕩器，不同的生物或同種生 物不同生物鐘都有不同的信號(hào)輸入路徑，但都會(huì)迅速 改變TTFL振蕩器成分的數(shù)量和

10、活動(dòng)，從而重設(shè)節(jié)律時(shí) 相,光照是最為重要的輸入信號(hào)6 7。輸出系統(tǒng)負(fù)責(zé) 將振蕩器產(chǎn)生的節(jié)律信號(hào)傳遞向下游,影響下游細(xì)胞 及器官的生理活動(dòng)。以光信號(hào)對(duì)人體晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)為例，調(diào)節(jié)晝夜 節(jié)律的光信號(hào)輸入依賴于視網(wǎng)膜中的內(nèi)在光敏視網(wǎng)膜 神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC),依靠黑視素(melanopsin)吸收波 段為480 nm的可見短波藍(lán)光，ipRGC感受光線強(qiáng)弱變 化，并將外界的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)視網(wǎng)膜一下 丘腦傳導(dǎo)束向SCN傳遞，參與調(diào)節(jié)生物體晝夜節(jié)律、 瞳孔對(duì)光反應(yīng)等非圖像視覺(jué)活動(dòng)。由于ipRGC介導(dǎo)的 光感受過(guò)程屬于非自覺(jué)視覺(jué)感知，其有別于視錐和視 桿細(xì)胞介導(dǎo)的傳統(tǒng)光感受過(guò)程,因此，某些光感受

11、器受 損的患者仍可保留一定的瞳孔對(duì)光反射，并保持正常 的晝夜節(jié)律。SCN內(nèi)具有多種神經(jīng)元，每種神經(jīng)元因分布區(qū)域 不同會(huì)有不同的功能。例如：腹外側(cè)SCN神經(jīng)元具有 光誘導(dǎo)基因表達(dá)的能力，可以直接接收ipRGC傳遞的 光信號(hào)，它們接收光信號(hào)后會(huì)發(fā)生細(xì)胞水平Ca2+波動(dòng), 進(jìn)而影響相應(yīng)神經(jīng)元的生物鐘基因表達(dá)；背內(nèi)側(cè)SCN 神經(jīng)元在黑暗環(huán)境中也能保持24小時(shí)的晝夜節(jié)律，這 奠定了生物鐘內(nèi)源性的基礎(chǔ)。SCN內(nèi)不同亞區(qū)的神經(jīng) 元其節(jié)律振蕩并非完全同步，腹側(cè)神經(jīng)元和背側(cè)內(nèi)源 性的神經(jīng)元通過(guò) H氨基丁酸(GABA)在神經(jīng)突觸偶 聯(lián)同步，然后由背側(cè)神經(jīng)元輸出節(jié)律信號(hào)給外圍的器 官和組織，最終以保證輸出節(jié)律的一致

12、性。SCN輸出的信號(hào)分子主要有神經(jīng)遞質(zhì)和激素分 子，它們分別介導(dǎo)神經(jīng)元途徑和神經(jīng)內(nèi)分泌途徑以調(diào) 控機(jī)體的體溫和休息活動(dòng)節(jié)律、心率、皮質(zhì)醇和褪黑素 分泌等生理節(jié)律?？傮w來(lái)講,受光信號(hào)誘導(dǎo)，SCN產(chǎn)生 的振蕩信號(hào)以分泌神經(jīng)遞質(zhì)或者激素分子的形式輸 出，作用于其他腦區(qū)(如下丘腦的下旁室區(qū)、丘腦室旁 核區(qū)等)以及外周組織與器官(如肝臟、甲狀腺、腎上 腺等)，影響外周生物鐘，誘導(dǎo)各器官功能和行為節(jié)律 的產(chǎn)生，控制機(jī)體的代謝功能，共同維持機(jī)體的生理 活動(dòng)。近期,美國(guó)西北大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)在小鼠模型 中又識(shí)別出一組ipRGC亞群，其在大腦非成像腦區(qū)釋 放抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA,該物質(zhì)能抑制瞳孔光反射 和晝夜

13、節(jié)律光協(xié)同化的敏感度，使大腦非成像區(qū)對(duì)弱 光的靈敏度降低,以此減少對(duì)生物節(jié)律的影響，防止身 體的生物鐘做出太多不必要的調(diào)整8。2.2生物鐘紊亂與疾病隨著研究的不斷深入，科學(xué) 家發(fā)現(xiàn)人的機(jī)體內(nèi)許多病理變化可能與生物鐘紊亂有 關(guān)，例如阿爾茲海默癥、癌癥、代謝性疾病等。阿爾茲海默癥(Alzheimefs disease, AD)是一種常 見的神經(jīng)退行性疾病，病人常伴有睡眠一覺(jué)醒節(jié)律的 紊亂，主要表現(xiàn)為不同程度的失眠、嗜睡、晨昏夜醒等 睡眠異常癥狀，大腦中6 -淀粉樣蛋白沉淀與Tau蛋白 聚積是AD的重要病理特征。由于病人的認(rèn)知功能損 傷水平也與生物節(jié)律紊亂程度顯著相關(guān)，因此科學(xué)家 認(rèn)為生物節(jié)律的紊亂

14、和AD有很大的關(guān)聯(lián)性，目前已 有研究證實(shí)，上述兩種蛋白在大腦中形成的斑塊大小 與病人癡呆程度相關(guān)，而2018年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究 院（NIK）研究者們測(cè)試了 20名認(rèn)知正常的健康人，發(fā) 現(xiàn)僅一次通宵活動(dòng)就會(huì)增加受試者大腦內(nèi)6 -淀粉樣 蛋白沉淀水平，并導(dǎo)致血漿Tau蛋白水平上升頃，這也 為生物鐘紊亂與AD的關(guān)系進(jìn)一步增添了證據(jù)。生物鐘紊亂與腫瘤的關(guān)系也備受關(guān)注。生物鐘參 與了細(xì)胞增殖、代謝、衰老和DNA損傷反應(yīng)等過(guò)程，這 些過(guò)程的紊亂與癌癥的發(fā)生有關(guān)10 目前多個(gè)研究 已發(fā)現(xiàn)，癌癥患者體內(nèi)發(fā)生了生物鐘基因及其表達(dá)、生 物鐘蛋白功能異常等現(xiàn)象11，例如：人體細(xì)胞有兩種 關(guān)鍵的生物鐘蛋白R(shí)EV-E

15、RB# （又稱NR1D1）和 REV-ERB6（又稱NR1D2），健康人這兩種蛋白的活性 水平在24小時(shí)中呈穩(wěn)定波動(dòng)，以此對(duì)能量獲取通路進(jìn) 行周期性調(diào)節(jié)，使細(xì)胞內(nèi)能量維持在穩(wěn)態(tài);但癌細(xì)胞中 REV-ERBs節(jié)律紊亂，這導(dǎo)致癌細(xì)胞可持續(xù)獲得能 量，進(jìn)行快速增殖。近年來(lái)，已有科學(xué)家基于生物鐘紊 亂與癌癥間的關(guān)系進(jìn)行了逆向研究，即通過(guò)調(diào)節(jié)生物鐘 基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)抗癌的目的 2018年，美國(guó)索克研究所的 Panda教授通過(guò)藥物，將培養(yǎng)皿癌細(xì)胞中的REV - ERBs 激活,成功抑制了多種癌細(xì)胞的脂質(zhì)合成和自噬路徑， 切斷了癌細(xì)胞能量獲取的途徑，迫使癌細(xì)胞因能量不 足而走向凋亡12 相關(guān)研究為癌癥治療提供了

16、新的 思路。人體代謝性疾病與生物鐘紊亂間的關(guān)系也受到了 關(guān)注。眾所周知，腸道免疫細(xì)胞在免疫調(diào)節(jié)、脂質(zhì)代謝 等方面發(fā)揮著重要作用。2019年，自然雜志刊登 了一項(xiàng)來(lái)自西班牙學(xué)者的研究成果，研究者們對(duì)小 鼠腸道內(nèi)一種重要的免疫細(xì)胞一3型天然淋巴細(xì) 胞（ILC3）進(jìn)行了分析13，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該細(xì)胞的生物 鐘相關(guān)基因處于高表達(dá)水平，且呈現(xiàn)明顯節(jié)律性;當(dāng) 通過(guò)光信號(hào)使小鼠晝夜顛倒時(shí)，小鼠ILC3的生物鐘 基因表達(dá)規(guī)律也發(fā)生了變化，導(dǎo)致ILC3晝夜節(jié)律紊 亂，無(wú)法在腸道行使正常功能，進(jìn)而腸道內(nèi)免疫失 衡，免疫防御能力降低，微生物群的構(gòu)成和脂質(zhì)代謝 均受到不良影響，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致機(jī)體肥胖以及 腸道疾病的發(fā)生

17、。除上述病理過(guò)程外，生物鐘可能在抑郁產(chǎn)生中也 扮演重要的角色，例如臨床研究發(fā)現(xiàn)，抑郁癥病人表現(xiàn) 出明顯的節(jié)律紊亂特征,并常伴有機(jī)體褪黑素分泌異 常，而褪黑素作為傳遞時(shí)間信號(hào)的重要因子，其在協(xié)調(diào) 機(jī)體的生物節(jié)律中起著重要作用。另外，英國(guó)曼徹斯 特大學(xué)的Joan以及Kadler等研究也發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基因敲 除選擇性破壞小鼠跟腱的生物鐘后，小鼠跟腱膠原纖 維出現(xiàn)異樣，也就是說(shuō)機(jī)體膠原蛋白的合成與降解過(guò) 程也依賴于生物鐘，生物鐘紊亂會(huì)造成膠原蛋白纖維 內(nèi)穩(wěn)態(tài)改變、結(jié)構(gòu)紊亂、彈性下降等14 2.3生物鐘紊亂因素綜上可以看出，生物鐘紊亂對(duì) 身體健康造成的不利影響非常多，那么哪些因素會(huì)造 成生物鐘的紊亂呢？研究

18、發(fā)現(xiàn)，光暴露減少會(huì)引起生物鐘紊亂，導(dǎo)致睡 眠覺(jué)醒節(jié)律障礙等。這主要是由于GABA抑制環(huán)路的 存在，使得ipRGCs所介導(dǎo)的非圖像成像視覺(jué)通路只有 在強(qiáng)光照下才能發(fā)揮正常的生理功能，而普通室內(nèi)光 線最多只能提供自然光照強(qiáng)度的5%且又以長(zhǎng)波長(zhǎng)的 紅光為主，無(wú)法起到有效刺激pRGCs的作用15 這也 解釋了為什么長(zhǎng)期晝夜顛倒的人容易出現(xiàn)睡眠覺(jué)醒節(jié) 律紊亂現(xiàn)象。因此，白天安排適量的戶外活動(dòng)并接受 光照對(duì)維持生物鐘穩(wěn)定有積極作用此外,無(wú)節(jié)律進(jìn)食行為也會(huì)對(duì)生物鐘的穩(wěn)定造成 影響 2019年，劍橋大學(xué)的Crosby博士用藥物控制小 鼠的胰島素信號(hào)變化，發(fā)現(xiàn)胰島素信號(hào)能改變細(xì)胞生 物鐘蛋白的積累1$，進(jìn)一步的研究表示，胰島素通過(guò) 促進(jìn)PER2 mRNA的翻譯，增強(qiáng)PER2蛋白的積累，改 變PER2蛋白的震