关于DNA的时间生物学特征的猜想

严 冬， 鲁海峰， 方 辉， 应佩君，肖党生

(浙江大学医学院附属第一医院： 1传染科， 2传染病诊治国家重点实验室， 3急诊科， 4普通内科， 5老年科，浙江 杭州 310003)

细胞模型是现代生物学、生理学等学科的基础，生物学领域重大研究成果都源于这一模型。肖党生等[1]对研究成果进行梳理和总结后提出了以细胞内能量代谢和基因表达为核心的代谢模式图。这一模式图为认识生命现象提供了新的视角：所有生命现象都是细胞内能量代谢和基因表达相互作用的结果，并受到细胞内能量流、物质流和遗传信息流的支持和制约；结合基本理化原则可以对生命现象、细胞代谢通路等进行全面、严密的逻辑推导，包括生物的时间节律。生物的时间节律是普遍存在的生命现象，对人体代谢、内分泌、炎症、肿瘤、神经系统疾病等都有影响[2-5]，现今对生物节律的认识已经深入到蛋白质和基因水平[6]。DNA是基因表达过程的起点，DNA的结构和功能也预示着DNA分子具有时间生物学特性，这一特性是细胞代谢乃至人体内代谢呈现周期性更替的基础。

1 DNA合成通路存在时间节律特征

RNA和DNA是细胞内的遗传物质。DNA是遗传信息的载体，也是细胞内基因表达的起点；RNA承担遗传信息的转录和蛋白质的合成等功能，仅在病毒中，RNA可以作为遗传信息载体。DNA和RNA在组成成分上存在差别。①核糖差异：核糖是构成RNA的物质基础；脱氧核糖是构成DNA的物质基础。②碱基差异：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)是构成RNA的碱基；腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)是构建DNA的碱基。

细胞中，脱氧核糖核苷酸合成是以核糖核苷酸合成通路为基础进行了相应延伸。细胞通过磷酸戊糖途径合成5-磷酸核糖，具体途径为：6-磷酸葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸内酯→6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸核糖[7]。

5-磷酸核糖进入从头合成途径或者补救合成途径合成核糖核苷酸。合成脱氧核糖核苷酸的代谢通路是通过核糖核苷酸还原酶催化4种二磷酸核糖核苷酸(NDP)生成相应的脱氧核糖核苷酸(dNDP)，该酶是DNA合成和修复的关键酶和限速酶[8]。RNA合成需要尿嘧啶核苷酸，DNA合成需要脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTMP)。在细胞中，dTMP是由脱氧尿嘧啶核苷酸经甲基化生成，反应由胸苷酸合成酶催化，并由N5, N10-甲烯四氢叶酸提供甲基(来源于一碳单位代谢)[9]。脱氧核糖和dTMP合成通路显示dNDP的合成通路要比核糖核苷酸的合成通路复杂，且位于整个合成通路的末端。猜测核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶可能存在活性耦联现象，同时开放或者阻断DNA的合成。

DNA和RNA的分子结构上存在区别： RNA以磷酸核糖作为分子骨架， DNA以磷酸脱氧核糖作为分子骨架，RNA分子骨架中不会混入磷酸脱氧核糖，DNA分子也不会混入磷酸核糖。这表明细胞已经构建多重核糖和脱氧核糖识别机制，保证RNA和DNA分子骨架上的差异。DNA依赖的RNA聚合酶和DNA聚合酶具有相应的识别功能[10-12]。推测核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶也可能在核糖识别机制中发挥着重要作用：在DNA合成过程中，核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶耦联活化，促使NDP转化成为dNDP，增加dNDP与NDP浓度差值，保证DNA合成单纯性；在RNA合成过程中，核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶耦联失活，阻断dNDP合成，确保dNDP不混入RNA合成中。推测RNA合成过程中存在dNDP降解增强的现象，即dNDP降解形成碱基和脱氧核糖，碱基进入补救途径用于合成RNA，磷酸脱氧核糖则可能进入氧化通路氧化降解。dNDP合成通路上两个关键酶活性周期性变化就导致DNA合成出现节律性变化。

2 DNA功能具有时间节律性特征

DNA是一种双螺旋结构的生物大分子，磷酸脱氧核糖链构建了分子的外在骨架，碱基排列顺序编码遗传信息。双螺旋的两股单链走向相反，碱基按照互补配对原则通过氢键进行连接配对。DNA分子具有存储、传递和转录遗传信息的功能，三种功能不能被同时执行。合理推测如下：DNA存储遗传信息时，DNA双链处于闭合状态；DNA通过半保留复制方式传递遗传信息，此时DNA将处于一定程度的解链状态，DNA依赖的DNA聚合酶处于激活状态，dNDP的合成通路处于开放状态，核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶处于活化状态，为DNA复制提供底物；DNA转录时，部分DNA链处于开链状态，DNA依赖的RNA聚合酶活化，dNDP的合成通路为关闭状态，核糖核苷酸还原酶和胸苷酸合成酶处于失活状态。

碱基之间的氢键是维持DNA的双螺旋结构的基础。DNA处于闭链状态时，碱基之间的氢键形成，维持DNA的双螺旋结构。氢键遭到破坏后，DNA将开始解链，此时DNA要么进入复制状态，要么进入转录状态。氢键的形成同温度相关，低温条件有利于氢键形成，而高温容易破坏氢键。高温促使DNA解链，推动DNA进入复制或者转录状态，而低温条件促使DNA处于闭合状态。从理论上推测，午后的温度相对较高，细胞中的DNA处于解链状态，而夜间温度相对较低，DNA就更容易处于闭链状态；夏季温度较高，冬季温度偏低，DNA在夏季更容易解链而冬季则更容易处于闭链状态。DNA分子随温度变化形成的闭链和开链状态就形成DNA的时间节律性，如日节律和年节律。

处于闭链状态的DNA有利于DNA抗损伤修复。DNA分子在物理因素和化学因素的影响下会出现损伤，包括点突变、缺失、插入、转位和双链断裂等[13-15]。比较DNA三种功能状态后可以推测，转录状态的DNA最容易出现损伤。转录是以DNA编码链为模板，合成RNA，此时编码链同转录相关蛋白结合，非编码链处于游离状态，缺乏组蛋白保护，这就使得非编码链更容易遭受损伤。在RNA合成过程中，为了保证RNA链的单纯性，核糖和碱基的识别机制必然处于开启状态，dNDP的合成通路有可能处于闭锁状态，核糖核苷酸还原酶、胸苷酸合成酶以及DNA聚合酶都可能处于失活状态。游离链遭受损伤后，抗损伤修复机制难以及时启动，损伤容易保留下来并影响编码链，形成基因突变。处于转录状态的DNA多是维持细胞结构和执行细胞功能的必要基因，这些基因长期处于开放状态就会增加损伤和突变概率，加速编码蛋白质结构和功能改变。突变发生在与细胞分化、细胞功能相关性基因，细胞分化将受阻，细胞出现原始化甚至癌变。细胞内存在DNA抗损伤修复机制，这些机制包括了光复活、切除修复、重组修复以及SOS修复等[16-18]。修复机制必须具备的条件包括：闭链状态的DNA；DNA聚合酶活化；开放的dNDP合成通路。这也意味着闭链状态和DNA复制状态更有利于DNA的损伤修复。DNA的功能和结构随环境温度呈现时间节律特征，低温状态更有利于DNA损伤修复，且修复只能在有限时间窗口内进行，相对高温易造成损伤和突变。

3 DNA分子时间生物学特性及其临床意义

根据DNA分子结构、生物学功能和合成通路的理化特征，可以推测DNA分子日节律演化规律。地球自转形成日周期，并使得环境温度呈现周期性变化，随之而来的是DNA解链难易程度出现周期性变化和细胞代谢状态的周期性变化。

夜间温度低，有利于氢键形成，DNA容易处于闭链状态。DNA损伤被识别，并启动损伤修复机制；此时dNDP 的合成通路将处于开放状态；闭链状态的DNA不进行转录和翻译，蛋白质合成下降、更新减缓，细胞功能下降并逐渐进入休眠状态。

从深夜到中午这段时间，环境温度逐渐上升，氢键逐渐倾向于解离，DNA解链变得容易而逐渐开链，推动转录和翻译。细胞内蛋白质合成增加，细胞代谢和功能也逐渐增强。中午温度达到顶峰，氢键形成最为困难，转录和翻译过程会再次受到影响(转录和翻译过程中氢键起着重要作用)，蛋白合成减缓，细胞代谢下降，这或许是人体午后疲乏的原因。午后随着温度下降，氢键逐渐容易形成，此时再次形成有利于蛋白质合成的时间窗口。随着温度进一步降低，DNA将逐步恢复闭链状态，蛋白质合成时间窗口也将逐渐关闭，细胞也就进入周期性休眠状态，并开始进行DNA损伤检查和修复。在日节律中，上午和下午都存在有利于RNA转录和蛋白质翻译的时间窗口，这两个时间窗口中的环境温度变化方向完全相反，转录和翻译的蛋白质性质也应该有所不同。理论上推测，上午时间窗口有利于细胞功能发挥，而下午的时间窗口趋向DNA合成和损伤修复。

DNA复制是细胞繁殖过程中的重要过程。DNA复制同氢键的形成和dNDP的合成通路密切相关。在DNA的复制过程中，DNA仅需要开链一次。复制完成后，新链同母链形成闭合双链。相对偏低的温度有利于DNA复制，合成过程中需要dNDP作为底物，dNDP的合成通路处于开放状态。DNA复制和损伤修复过程在时间上存在承接关系。这些预示着在日周期中，晚间到午夜前存在一段有利于DNA复制和修复时间窗。在这个时间窗内，DNA先复制，然后进入损伤修复状态；不进行分裂的细胞可能在这个时间窗内直接启动 DNA损伤修复机制。

DNA日节律对人体生理功能有影响，如人体的睡眠觉醒周期。人体休眠时间同DNA复制和修复时间相重叠，睡眠期间各种生理功能下降到最低状态，这种状态应该同细胞内DNA转录下降相关。良好的睡眠节律，尤其在DNA复制和修复的时间窗内进行休息则可以促使细胞对DNA进行充分抗损伤修复，减少基因突变发生率[19]。在这一时间窗口内进行强烈的生理活动将使得细胞丧失DNA复制和抗损伤修复的最佳时间窗口而导致突变积累，进而导致相应蛋白质功能下降甚至丧失，细胞特定功能下降甚至丧失，人体也可能进入病态[5,20]。2021年的研究表明，夜间工作会使人更容易出现DNA损伤，降低对DNA损伤的修复效率[21]。这种现象的产生可能同DNA时间节律特征和错失DNA修复时间窗口密切相关。

DNA日节律特征也为抗病毒治疗提供了新的思路。合理推测是在DNA合成期间，RNA合成受到抑制， RNA病毒因缺乏底物而无法繁殖，甚至更容易被杀灭。相反，这个时间窗口是DNA病毒复制的最佳时间。在DNA转录期间，dNDP合成通路是处于关闭状态，这对DNA病毒形成抑制，却有利于RNA病毒的复制。在细胞周期的大多数时间里，dNDP处于封闭状态， RNA病毒更容易获得复制机会，而DNA病毒复制机会有限。对逆转录病毒而言，宿主细胞DNA复制或者抗损伤修复初期时是进行逆转录的最佳时间，错过这个时间窗口可能因病毒RNA降解而无法进行逆转录。病毒这种与时间相关的繁殖特征或许为临床用药提供新的思路。

4 展望

从DNA结构、功能和合成通路的特征可以推测出DNA分子日节律中的规律，并利用这一规律解释很多生理现象，但仍有疑问有待阐述，如DNA合成过程有先导链合成。先导链是RNA链，先导链是由RNA向DNA合成切换的表现，此时RNA合成并未完全封闭而DNA合成也并没有完全开启，一旦dNDP的合成通路处于完全开放，先导链的合成将会停滞。另外，在DNA合成过程中是否仍由三磷酸腺苷(ATP)供能，或者细胞采用何种机制识别脱氧三磷酸腺苷(dATP)和ATP，避免ATP混入DNA合成，以及 DNA时间生物学特征同时间蛋白之间关系都值得思考。

总之，DNA结构和功能性特征使得DNA具有基本的时间生物学特征，这一特征同温度周期性变化密切相关。从新型代谢模型上看，DNA时间生物学特性还受到周期性摄取能量物质以及其他因素的影响，这需要更为深入的研究。遵从DNA时间生物学特征将更有利于认识疾病形成病因，形成新的治疗方案[22-23]。