作者:张笑 梅进 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/2 18:28:11
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2017年诺贝尔生理学或医学奖揭晓

 

北京时间10月2日下午5点30分,2017年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,3位美国科学家Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash和Michael W. Young获奖。获奖理由是“发现了调控昼夜节律的分子机制”。3人将均分900万瑞典克朗奖金。
 
 
Jeffrey C. Hall
 
Jeffrey C. Hall,1945年出生于美国纽约。1971年从美国华盛顿大学获得博士学位,1971年至1973年在加州理工学院做博后。1974年他加入美国布兰迪斯大学。2002年,他加入美国缅因大学。
 
 
Michael Rosbash
 
Michael Rosbash,1944年出生于美国堪萨斯城。1970年从MIT获得博士学位,随后三年在苏格兰爱丁堡大学做博后。1974年起,他一直任职于美国布兰迪斯大学。
 
 
Michael W. Young
 
Michael W. Young,1949年出生于美国迈阿密。1975年从美国德州大学获得博士学位。1975年至1977年,他在斯坦福大学做博后。1978年起,他一直任职于美国洛克菲勒大学。
 
地球上的生命早已适应了地球这颗行星的转动。很多年以来,我们已经知道包括人类在内的各种生命体体内存在一种生物钟,能帮我们预知并适应每一天的周期规律。但是这种生物钟实际上是如何运作的呢?Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash和Michael W. Young三位就对生物钟进行了探究并成功阐释其内在运作机制。他们的发现解释了植物、动物和人类是如何适应自身的生物节律并与地球的转动保持同步。
 
今年的获奖者利用果蝇作为模式生物,分离出一种能够控制日常生物节律的基因。他们通过研究证明:用这种基因编码出的一种蛋白,会在夜间不断累积,然后在白天又发生分解。此外,他们还发现这种生物过程中的其他相关蛋白成分,从而揭示细胞管理这种自我维持运行的机制。现在我们已经知道,包括人类在内的其他多细胞生命体的生物钟都是同样的运行机制。
 
凭借着非同寻常的精密性,生物钟让我们的身体适应了每一天的各种变化:它负责调节身体各种重要机能比如行为举止、荷尔蒙水平、睡眠、体温以及新陈代谢。当外部环境与生物钟发生短暂冲突时,我们的健康会受到影响,比如当我们坐飞机跨越多个时区,便会出现时差倒不过来的情况。此外,如果生活方式与生物钟要求的节律产生慢性不协调,则会影响身体各种疾病的出现。
 
我们体内的时钟

大多数生命体能够预知和适应环境的日常变化。早在18世纪,天文学家Jean Jacques d'Ortous de Mairan就研究了含羞草这种植物,他发现含羞草的叶子会在白天向着太阳打开,然后在黄昏时合拢。他好奇如果含羞草持续处于黑暗环境中会产生什么变化,之后他发现,尽管没有日光照射,含羞草的叶子每天仍然保持其正常的规律性变化(图1)。植物似乎有它们自己的生物钟。

后来,其他科学家发现不只植物,动物和人类也有生物钟帮助自身生理状态适应环境的日常变化。这种常规性适应被称为“昼夜节律”,其中“昼夜(circadian)”一词来源于拉丁文中的circa(意为“大约”dies(意为“一天”。但是,我们体内的昼夜生物钟到底如何运作仍是未解之谜。

图1.体内生物时钟。含羞草的叶子白天向着太阳打开,到黄昏时闭合(图上半部分)。Jean Jacques d'Ortous de Mairan将含羞草放在黑暗环境中(图下半部分)并发现:就算没有阳光的照射,叶子仍然保持其正常的规律性变化。

时钟基因的发现

在上个世纪70年代,美国分子生物学家Seymour Benzer及其学生Ronald Konopka提出一个想法:果蝇体内有没有可能存在着控制其昼夜节律的基因呢?经过研究,他们发现果蝇体内一种未知基因的突变确实会扰乱其昼夜节律。他们将这种突变的基因命名为“周期”基因。但是,又有个新问题出现:周期基因又是怎么影响果蝇的昼夜节律的呢?

今年的诺奖得主们,研究的对象也是果蝇,他们就瞄准了生物钟到底如何运行这个研究领域。1984年,Jeffrey Hall和Michael Rosbash——这两位在波士顿的布兰迪斯大学有着紧密合作的科学家,以及洛克菲勒大学的Michael Young,三人成功地分离出周期基因。Jeffrey Hall和MichaelRosbash接着发现了周期基因编码的蛋白PER,PER会在会在夜间不断累积,然后在白天又发生分解。因而,PER蛋白水平的变化以24小时为周期,正好与昼夜节律保持同步。

一种自我调控的发条机制

下一步研究的关键是,搞清楚这样的节律变化是如何产生并维持的。Jeffrey Hall和Michael Rosbash猜想,PER蛋白阻断了周期基因的活性。他们进而推测,通过一种抑制反馈回路,PER蛋白可能阻止了自身的合成,因而持续而周期性地调节了自身的水平(图2A)。

图2A:周期基因反馈调节的简单图示。图中显示了24小时内的系列事件。当周期基因激活时,mRNA就生成了。mRNA被转运到细胞质中,作为PER蛋白产生的模板。PER在细胞核中聚集,而周期基因的活性此时被阻断。这就帮助产生了阻断反馈机制,从而形成了昼夜节律。

这一模型很“诱人”,但是缺失了一些片段。为了阻断周期基因的活性,PER蛋白需要接触到细胞核。Jeffrey Hall和Michael Rosbash已经证实,PER蛋白是在夜间聚集到细胞核的,问题是如何到那儿的?1994年,Michael Young发现了第二种发条基因timeless,它编码昼夜节律所需的TIM蛋白。他证实,当TIM蛋白绑定到PER蛋白时,两种蛋白就能进入细胞核,从而阻断周期基因活性,关闭阻断反馈回路(图2B)。

图2B:节律钟的分子成分的简单图示。

这一调节反馈机制解释了细胞蛋白水平的变化是如何产生的,但仍有疑问待解。是什么控制了这种变化的频率?Michael Young鉴定出了另一种基因doubletime,它编码DBT蛋白,能够延迟PER蛋白的聚集。这就解释了这种节律调控如何更契合24小时的循环。

三位诺奖得主的发现是颠覆传统的,建立了生物钟的关键机制。随后一些年,节律钟机制的其他分子组分陆续被阐明,进一步阐释了它的稳定性和功能。比如,今年的得主还鉴定出一些额外蛋白,是激活周期基因所需,此外,光能同步节律钟的机制也少不了它们。

为人体生理“保持准时”

人体生理的很多方面都牵涉到生物钟。我们知道,所有的多细胞有机体,包括人类,利用一种相似的机制来控制昼夜节律。我们很大一部分基因是由生物钟调控着,于是,一种精细校准过的昼夜节律就调整着我们的生理,以适应每天的不同阶段(图3)。自从这一重大发现以来,节律生物学已经发展成为一个广阔而有活力的研究领域,影响着我们的健康和福祉。

图3:节律钟预测并调整我们的生理,以适应每天的不同阶段。生物钟帮助调节睡眠模式、摄食行为、激素释放、血压以及体温。

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以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2017/10/3 21:32:48 woganxieshangdi
过去,我喜欢物理,关注物理;现在,我喜欢医学,关注医学。
2017/10/3 21:31:04 woganxieshangdi
点赞!
2017/10/3 17:59:40 youzheng
这种分子功能解释正确蚂?或许医学和生物学家目前认为是正确的,将来未必正确。
2017/10/3 14:29:39 lichunjie08
为什么诺奖季中国的院士都会选择沉默?
2017/10/3 10:15:09 xlsd
节律生物学应用前景广泛
目前已有5条评论
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