了解你的生物钟

2017-10-18曹玲

三联生活周刊 2017年42期

曹玲

古人云：“日出而作，日落而息。”今年的诺贝尔生理学或医学奖得主解开了其中的秘密。

2017年的诺贝尔生理学或医学奖授获奖领域就和生物钟有关，三位美国遗传学家，杰弗理·霍尔（Jeffrey C. Hall）、迈克尔·罗斯巴希（Michael Rosbash）、迈克尔·杨（Michael W Young）得奖，因为他们发现了昼夜节律的分子机制。所谓昼夜节律，也就是平常所说的生物钟。

我们知道，包括人类在内的很多有机生命都拥有一种特殊的内部时钟，这种时钟能够帮助他们预料并且适应每天的节律，但这种特殊的内部时钟既无齿轮，也无指针，它究竟是什么？又是怎样工作的呢？

上世纪70年代，美国生物学家西摩·本泽（Seymour Benzer）就开始寻找可以控制果蝇昼夜节律的基因。他发现，有个当时还不知道的基因如果发生突变，可以将果蝇的生物钟调快、调慢，甚至关闭。他给这个新基因起了个名字，周期基因（period gene）。那么，这个基因是如何影响节律的呢？

今年的诺贝尔奖得主研究的就是这个问题。1984年，三位获奖者紧密合作，成功地分离出了Period基因。他们把这个基因编码的蛋白起名为“PER”。他们发现，在晚上PER蛋白会在果蝇体内积累，到了白天又会被分解。所以PER蛋白的浓度会循环震荡，周期为24小时，和昼夜节律相同。

那么，PER蛋白如何保持稳定的震荡周期的呢？杰弗理·霍尔和迈克尔·罗斯巴希提出了一个假说：PER蛋白可以让period基因失去活性。换句话说，PER蛋白和period基因形成了一个抑制反馈的环路，PER蛋白可以抑制基因合成自己，这样就形成了一个连续、循环的节律。

杰弗理·霍尔和迈克尔·罗斯巴希的研究表明，每当晚上的时候，PER蛋白会在细胞核里积累。接下来，研究人员问它是如何进入细胞核的？1994年，迈克尔·杨发现了第二个节律基因，被命名为Timeless（不受时间影响）。Timeless基因可以编码TIM蛋白，同样为正常节律所需。迈克尔·杨做了一个漂亮的实验，发现TIM蛋白会结合到PER蛋白上，然后两个蛋白可以一起进入细胞核，并且在那里抑制period基因的活性。

以上的研究揭示了蛋白水平为什么会出现震荡，这种震荡的频率周期为什么维持在24小时呢？迈克尔·杨又发现了一个基因名为Doubletime（双倍时间），可以编码DBT蛋白。DBT蛋白可以延迟PER蛋白的积累，这解释了为什么震荡的周期为什么会稳定在24小时左右。

这三位新科诺贝尔奖得主的研究阐述了生物钟的理论基础，奠定了生物钟研究的基础。目前，全世界的研究者已经发现了数十个与生物钟有关的基因，进一步解释了生物钟的机理和稳定性。

华中科技大学研究生物钟的张珞颖教授说：“生物节律获奖是个让人挺高兴的事情。这个领域一直是一个比较小的领域，虽然挺重要、挺有趣，但是如果一个人生物钟紊乱，他也能够活下去，只是活得不那么理想，处于一种亚健康的状态。相比一些不治疗就会死的疾病，可能大家就没有那么重视。”生物节律获得诺奖，很可能会引起大家对这一领域的关注。

复杂的生物钟网络

事实上，生物钟是一门古老的学科。1792年夏天的一个傍晚，法国天文学家让·雅克·德奥图·德梅朗发现含羞草已经“睡觉”了，它的叶子合上了，而白天时它的叶子是张开的。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。显然植物能够“知道”太阳的位置，知道什么时候是白天，什么时候是黑夜。德梅朗是发现昼夜节律的第一人，他的报告出现在一篇重要的科学论文中，只有350个单词，组成7个很长的句子。

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。地球每24小时绕地轴自转一周，或沐浴于阳光中，或湮没于黑暗里。对生物体而言，“吃喝拉撒睡”皆有定时，随着地球日夜更替的节拍发生适时地演变。

一天24小时并不是地球上唯一的时间结构，除了它之外还有潮汐时间、月亮周期和以年为单位的周期。生活在海里的动物受潮汐影响较大，以年为周期出现的现象有候鸟南飞、鲑鱼洄游、爬行动物冬眠等等。还有一些生物的生活周期令人费解，比如珊瑚虫会在繁殖季节满月的午夜一齐产卵。后来，科学家发现珊瑚虫体内有一种光传感器，能感知滿月时的光线，从新月到满月，月光逐渐增强的过程中，体内的传感器基因随之渐渐活跃，充当了满月之夜产卵的触发器。

上世纪70年代，科学家找到了哺乳动物生物钟的位置所在。动物眼睛后面的小丘脑有两个很小的区域，现在被称为视交叉上核，这个区域的神经元连接视网膜，负责对光明和黑暗的周期性反应，让肌体随着白天和夜晚的时间活动或休息。视交叉上核只有四分之一颗米粒大小，由大约20000个神经细胞组成，这两个区域向大脑和身体发出信号，控制激素释放、调节体温和食欲，被称为中央生物钟。

曾有病人因患脑瘤接受手术切除，在切除肿瘤组织的同时，也切除了一块视交叉上核组织。手术后，这个病人的体温、睡眠—觉醒的昼夜节律特性就消失了。

除了中央生物钟外，人体还有很多外周生物钟。2014年，宾夕法尼亚大学的科学家约翰·霍格尼斯（John Hogenesch）发现，哺乳动物近一半的基因活性随时间变化而变化。他绘制了小鼠12个不同器官中成千上万基因的24小时表达模式，包括心脏、肺、肝脏、胰腺、皮肤和脂肪细胞，制作出哺乳动物基因振荡“图谱”。

令人惊讶的是，控制基因活性随时间变化的信号并不一定来自大脑。如果把肝脏细胞养在培养皿中，它也会很快进入24小时节律。“人体只有一个生物钟”的概念已经成为过去时。目前的研究认为，人体中数以千计甚至百万计的生物钟，组成了一个复杂的网络，它们各行其是，相互通话，相互协调，完全改变了人们对生物钟的认识。endprint

美国遗传学家迈克尔·罗斯巴希

“此次得奖内容研究的是生物钟的核心机制：钟是什么，有哪些成员。除此之外关于生物钟的研究还有很多，比如哪些因素可以调控生物钟，生物钟是如何调控生物的行为和生理过程的;几乎每个细胞都有一套生物钟，不同的组织和细胞是如何协同来调控行为和生理过程的。”张珞颖说。

她的研究主要针对生物钟是如何调控生物的行为和生理过程的，有一部分关于生物钟对情绪的影响。她在美国做博士后的时候，实验室发现一个奇怪的家族，他们每天晚上七八点就睡觉，凌晨三四点起床，生物钟显著提前，被称为家族性睡眠相位提前综合征。这个家族还患有季节性情感障碍，每年的12月到次年2月抑郁症发病率最高，到了第二年5月疾病会自发好转。医生认为冬季抑郁可能是由于冬季日照较短导致的，通过每天给患者清晨半个到一个小时的光照可以缓解抑郁症，而傍晚光照是没有效果的。研究人员怀疑发病和生物钟有关，结果发现此家族携带Per3基因突变。Period（per）基因家族是生物钟调节基因的主要成员，哺乳动物有Per1、Per2、Per3三个基因。

他们对携带Per3基因突变的转基因小鼠进行研究，发现携带了这个突变的小鼠昼夜节律改变，出现抑郁行为，可以用来研究生物钟和情绪之间的关系。“研究人员用幸福指数来衡量情绪指数，发现情绪的昼夜节律和人体体温的节律类似，傍晚时达到最高点，凌晨时达到最低点。”张珞颖说。但是目前，生物钟是如何调节情绪的还不清楚。

生物钟的出现给生物的生存带来了巨大的优势，其中最经典的一个是蓝藻实验。1998年，美国范德比尔特大学的卡尔·约翰逊（Carl Johnson）发现用一种叫蓝藻的单细胞生物进行研究。正常蓝藻的生物节律是24小时，基因突变的蓝藻生物节律可以缩短也可以延长，比如22小时或者26小时。这些基因突变的蓝藻和正常蓝藻等比例混合培养，处于12小时光照，12小时黑暗的条件下，之后发现突变蓝藻基本消失了。

如果把它们放在11小时光照，11小时黑暗的情况下，生物钟是22小时的突变蓝藻生长较快;或者在13小时光照和13小时黑暗的情况下，26小时生物钟的蓝藻生长较快。无法适应光照更替环境的蓝藻，生存竞争力显著降低了。

在生物钟的作用下，蓝藻在日出之前即可提前动员光合作用系统，在阳光一出现的时候就可以摄取能量，比那些纯粹依靠光线启动光合系统的生物领先一步。与之类似，日落之后，蓝藻的光合系统会遵循生物钟的指令而关闭，避免了夜间无用的能量等资源被无谓浪费。这些实验第一次清楚地显示：内部的代谢节律与环境周期相匹配会增强物种的适应性。

也有人做过动物实验。正常的松鼠夜间视力不好，一般白天出来活动。研究人员把松鼠体内调节生物钟的视交叉上核破坏掉之后，松鼠的生物钟消失了，白天晚上都会出来活动。把这样的松鼠放归自然界，一个月后，它们被天敌捕食的数量远远超过正常松鼠。

长期研究生物钟的中山大学生命科学学院郭金虎教授说，在正常的自然界，对于多数动物来说，如果没有或者不按照生物钟规律活动，根本无法生存。比如美洲的黑脉金斑蝶，生物钟对长途迁徙的方向定位具有重要意义。如果破坏了生物钟，它们将无法正确判断迁飞的方向。

生物钟和健康

对于人类而言，生物钟紊乱也会引发很多问题，最常见的就是倒时差。得过时差综合征的人们充分理解若想使生物钟与头脑达成一致该有多痛苦。时差综合征的一个症状是尽管非常疲惫，但晚上还是会失眠，此外还会导致注意力减退、协调能力变差、认知能力降低、情绪波动、胃口变差等问题。研究发现，生物钟失调甚至会导致生殖周期紊乱，以及多种生殖系统相关的疾病，在跨时区飞行的女乘务员中超过30%的人出现月经失调。

19世纪以前，人类的社会生活时间与当地太阳时间是一致的：中午是太阳到达最高点的时间。理性的时间划分规则在铁路被发明之后受到了冲击，突然间人们可以在短短几个小时之内走过很长的路程，导致当地的太阳时间完全不能用了。因此1884年很多国家共同实行了一套体系：把世界分成24个时区，把穿过伦敦附近的格林尼治天文台的经线设定为本初子午线。

美国遗传学家杰弗理·霍尔

地球上所有的生物，包括飞机发明以前的人，根本没有倒时差的问题，也就没有进化出快速和大幅度校表的机制。由于多数生物的生物钟与地球的24小时节律相差无几，每天也就调整十几分钟左右。“这就像以前的手表走得不太准，每天晚上对着收音机对对表，并不妨碍使用。”郭金虎说。

而大型喷气式客机的出现，使得人们从太平洋西岸的上海飞到东岸的洛杉矶，只需要12个小时左右，时间“后退”16个小时。这样在一天之内造成的时差不是任何生物钟可以立即适应的。

现代生活方式很少能与我们的生物钟保持一致。如今社会中，对人体生物钟产生最严重负面影响的工作就是倒班工作。倒班工作意味着，人们吃饭的时候，并不是身体最适宜消化的时间，相反胃在需要食物的时候，却吃不上饭;睡觉的时候，并不是体内生物钟希望的睡觉时间，工作的时候，是身体需要休息的时候;在大脑和眼睛希望處于黑暗的时候，它们却暴露在光线中;身体和大脑持续存在压力，因此不得不依靠诸如咖啡之类的东西来平衡疲惫感。有假说认为，持续的身体压力降低了机体抵御疾病的能力。

持续几十年的流行病学研究表明，从事倒班工作的人比从事传统工作的人患病的概率更高，其他负面影响还包括睡眠障碍、抑郁、心脏病、消化系统疾病、糖尿病以及其他代谢类疾病。数据显示，在倒班工人中，乳腺癌的发生率高达36%～60%，夜间过度照明可抑制褪黑素的分泌，这可能是引起肿瘤高发病率的原因。endprint

科学家们已经开始制作人体各组织器官的活动时间线。例如，我们的身体为迎接一天的繁忙工作，心脏会率先经历一阵紧张活动。黎明前那段忙碌时分是应激激素皮质醇的分泌高峰期，这或许可以解释为什么心脏病容易在清晨发作。

同样，肺也会在我们最活跃、最需要它的时候提高效率，同时免疫功能也会增强。甚至有迹象表明，阿尔茨海默症和帕金森症这样的神经退行性疾病和生物钟的变化有关，可以解释为什么症状往往在下午和晚上更严重。医生逐渐认识到，打乱人体生物钟还会增加患精神疾病的风险，包括抑郁症和精神分裂症。

一些公司正在瞄准外周生物钟来开发药物。以肺举例来说，肺在夜间活性降低，哮喘病在夜间更易发作，生物钟紊乱引发的最致命的症状之一就是夜间哮喘。几年前，爱尔兰地平线制药公司获得批准，研制了一种能缓解哮喘症状的类固醇药物，强的松缓释配方。还有研究表明，如果人们在睡觉前服用降压药缬沙坦，比醒来时服用效果提高60%，还能降低糖尿病的发病风险。所以有研究者认为，夜间给药是促进大众健康经济有效的方式。

很多药物都在不同程度上考虑了人体的生理节律，比如100个美国最常用的药物中有56个、250个世界卫生组织基础药物清单中有119个都考虑了这一点。这些药物中许多都有6小时左右的半衰期，也就是说，服药约6个小时后，药物在体内的浓度会下降一半。2014年，约翰·霍格尼斯发表了这一研究成果后，美国多家制药公司纷纷向他求助，想知道有些以前被定为有毒或者低效的药物，是否只是因为检验的时候选错了时间。

张珞颖说，时间是影响药物效率的一个重要但却被低估的因素，目前有一个新兴的领域叫“时间治疗学”。我们的细胞中存在着一种时钟，调控着药物的新陈代谢，因此一些药物适合在夜间给药，一些适合在白天给药。时间疗法遵循患者的生理节律，从而减弱了治疗的毒性，并提高了患者的生活质量。

时间疗法已经被用于癌症治疗领域。一旦细胞癌变，癌细胞的生物钟要么昼夜颠倒，要么完全紊乱。科学家们在一项针对老鼠的实验中发现，清晨接受癌症药物治疗的老鼠，没有下午接受治疗的老鼠存活率高。在针对人类的研究中也发现，许多治疗癌症的常用药物随着给药时间的不同以及患者生物钟的不同，药效也不一样。在合适的时间服药，药物对肿瘤的杀伤力会大一些，而对身体的伤害会小一些。

在风湿性关节炎领域，针对时间疗法的研究也在进行。风湿性关节炎患者的症状通常在早晨更严重，在这其中起主要作用的是免疫系统T细胞攻击自身所致。这些细胞都有自己的生物钟，它们的炎症反应随时间变化而变化。一些风湿性关节炎的药物疗法相对来说毒性较大，产生严重的副作用，比如肝损害、掉头发等等。如果能确定最佳给药时间，药物就可以在有需要时才对免疫系统进行抑制，降低副作用。

“生物节律研究领域的规模虽然小，但是非常有趣，里面还有很多的未知等待我们的探索。”郭金虎说。他的研究还包括太空里人体生物钟的变化规律等内容，“比如国际空间站里的光照强度比白天地表的强度低很多，而光照强度对于生物钟起到重要的调节作用。此外，重力的改变也会对生物钟和睡眠产生影响。航天员还要执行一些临时性的突发任务，也会影响睡眠。这些都会使宇航员的反应能力和操作能力严重下降，从而降低工作效率，增加事故发生的风险。所以要实现人类的飞天梦，深入研究生物钟的变化规律和调节机制具有重要的意义”。

基因编辑技术

2015年，《科学》杂志将CRISPR-Cas9基因编辑技术评为年度十大科学突破之首。目前，科学家们已经证实，利用CRISPR可以治疗小鼠的肌肉萎缩、罕见肝脏疾病，甚至使人类细胞具有免疫HIV等功能。虽然此领域较新，但很多业内人士认为得奖只是时间问题。

美国遗传学家迈克尔·杨

热门人选：1.美国加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德娜（Jennifer Doudna）和德国亥姆霍兹传染研究中心的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）2.美国麻省理工学院博德研究所华裔科学家张锋以及哈佛医学院的乔治·丘奇（George Church）。

这两组科学家之间的CRISPR-Cas9专利之争已经持续了4年，至于诺奖会花落谁家尚未可知。2015年汤森路透预测是第一组会获奖，2016年的预测则变为第二组。

肿瘤免疫治疗

肿瘤免疫治疗由于其卓越的疗效和创新性，2013年被《科学》杂志评为年度最重要的科学突破。CTLA-4、PD-1、Car-T等肿瘤免疫机制的突破，给肿瘤的治疗带来划时代的变化。业界认为，肿瘤免疫治疗有望成为继手术、化疗、放疗、靶向治疗后肿瘤治疗领域的一场革新。目前，肿瘤免疫治疗已在一些肿瘤类型如黑色素瘤、非小细胞肺癌等的治疗中展示出了强大的抗肿瘤活性，已有一些肿瘤免疫治疗药物获得美国食药监局的批准。

热门人选：德克萨斯大学安德森免疫学学院癌症中心癌症免疫学家詹姆斯·埃里森（James Allison），他今年获得了拉斯克医学奖，他的研究聚焦一种叫做CTLA-4的特异蛋白，这种蛋白能够抑制免疫系统攻击肿瘤细胞的能力。如果阻断CTLA-4，可以“释放”免疫系统中的T细胞，使之攻击肿瘤。目前，这种疗法已经帮助了成千上万的晚期黑色素瘤患者。

表观遗传学

为什么近乎拥有完全一致遗传信息的同卵双胞胎，有时一个会患有白血病、红斑狼疮等疾病，另一个却不会呢？研究人员发现，双胞胎中不同个体对遗传信息的“表观修饰”存在大量差异——DNA甲基化水平不同。甲基分子（-CH3）就像一顶帽子：带上它，基因关闭;摘掉它，基因表达，被分别称为甲基化和去甲基化。这意味着即使基因本身不会发生改变，其他因素也会导致生物的基因表达有所不同，即表观遗传学。

热门人选：1.英国爱丁堡大学遗传学家艾德里安·伯德（Adrian Bird）和以色列耶路撒冷希伯来大学研究人员霍华德·锡达（Howard Cedar）、阿亥龙·拉辛（Aharon Razin）。锡达和拉辛第一个解释了DNA甲基化发挥作用开启或关闭基因表达的机制，促成了表观遗传调控研究的兴起。伯德则通过阐明两种不同的甲基化类型扩展了这一研究工作。2.洛克菲勒大学大卫·艾利斯（David Allis）教授，以及加州大学洛杉矶分校迈克尔·格伦斯坦（Michael Grunstein）教授。他们对组蛋白修饰，以及其在组蛋白调控中作用的基础性研究做出了很大贡献。