一文读懂诺奖昼夜节律分子机制!失眠的果蝇和熬夜的科学家:科研无侥幸!

2017-10-03 Juka 转化医学网



就在昨日,2017年10月2日下午17点35分,年度诺贝尔奖生理学或医学奖获奖者名单正式公布。本次斩获该奖项的为三位:Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young。
“2017年诺贝尔生理学或医学奖授予Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young,以彰其在昼夜节律的分子机制方面的发现。”
对于每一届的诺贝尔奖,其在生物领域的研究发现斩获的奖项都实至名归。那么本届诺贝尔奖得主,其研究有关“昼夜戒律的分子机制”到底有什么作用?为何这项研究可以在如今各项新研究喷涌的年代勇夺桂冠呢?
就让我们一起来看看:为什么这一系列关于昼夜节律的研究可以斩获诺奖!

昼夜节律是什么?

相信每一个人都或多或少的听说过“生物钟”这个名词,而这就是昼夜节律的一种体现。在地球上生活的人们根据太阳来确定白天和黑夜(白昼和黑夜),而在千百年来人们基本都遵循着“昼出夜伏”的习惯,这是因为在人类没有自保能力的时候,黑夜(看不见东西的时候)会给人类带来极大的危险性,因此人们往往在这个时候选择安全的地方进行睡眠,而经过千百年的演化,就成了人类社会的昼夜节律。(当然还有很多其他因素使人类形成昼夜节律,这只是举了其中一个例子)
而我们定义的一天的时间也是地球自转一周所需要的时间,约为24小时,也就是我们生命活动遵循的变动周期,而昼夜又把人类的生活分成两部分,我们根据昼夜来规划自己做的事情,这就是昼夜节律,而这种根据白天黑夜进行活动的昼夜节律又称近日节律。
中国自古以来就有“日出而作,日落而息”,这就是昼夜节律或者说生物钟的一个表现,而人们很早就认识到这种规律的诞生,可以说人类社会千百年间就知道这种规律,但是这种规律是怎么来的?人类又为什么会形成这种规律?人体到底是怎么调节的?而这些就是本次诺贝尔奖获得者所做的事情:昼夜节律的分子机制。

诺贝尔奖获得者都做了什么?

我们都知道,人体是最精密的仪器,她的每一个部分都咬合的精密细致到极点,这才能完成我们日常的生活。我们虽然认识到了人会追随昼夜节律来活动,但是我们从来没有真正的发现其本质原因:
细胞如何精确的调控约等于24小时的昼夜节律呢?这就是三位诺奖得主所做的事情。
那么为什么诺奖得主是三位呢?
让我们回过头来看昼夜节律是怎么形成的:
根据本次诺奖获得者的研究来看,控制昼夜节律的基因有三个,分别为:周期基因(period gene)、无时间基因(timeless gene)以及双倍时间基因(doubletime gene)。
那么这些基因是如何控制细胞进行24小时的精确昼夜节律调控呢?
首先登场的是周期基因(period gene)。周期基因(period gene)会编码名为PER的蛋白质,这种PER蛋白质会在夜晚通过无时间基因(timeless gene)编码产生的TIM蛋白质帮助从细胞质转移到细胞核,并在细胞核中堆积,而PER蛋白质会在白天降解,这一个堆积降解的过程约为24小时,这就是一天的时间。而这个堆积和降解的过程就对应着人们的白昼和黑夜。而双倍时间基因(doubletime gene)编码的DBT蛋白的作用就是减缓PER蛋白的积累,从而可以实现昼夜节律的精确调控。

这就是昼夜节律的大致过程,而在这个过程当中:
TIM蛋白和PER蛋白一起绑定后进入细胞核会抑制周期基因(period gene)的的表达;
而另一个关键的发现是TIM蛋白可以根据日照来进行昼夜节律的调节,这就是人们常说的“倒时差”的过程,就是TIM蛋白在起作用。
而在这个过程当中,三位诺主的贡献分别为:Jeffrey C. Hall和Michael Rosbash在周期基因(period gene)的发现及作用产生了无可替代的作用,而 Michael W. Young则发现了无时间基因(timeless gene)以及双倍时间基因(doubletime gene)的作用。而在这个过程中:这三个人在研究的过程中齐心协力合作才使得一个完整的昼夜节律的轮转过程被呈现在使人面前。而科学界的合作和信息共享也必然会推动科学技术的进步。
那么,这个发现有什么用呢?
这个诺奖,对于人类到底有什么用?
首先,治愈某些遗传性疾病。在人类的遗传性疾病中,有一种疾病叫做“睡眠时相前移综合症”(Advanced sleep phase disorder,ASPD),有这种遗传病的患者的睡眠期间会前移,大约在晚上6点到8点入睡,凌晨3点醒来。而根据2001年的一项研究:ASPD致病机理是患者的hPer2(period基因的同源物)发生了基因突变,从而使得DBT蛋白无法正常的修饰降解PER蛋白。而当我们揭开昼夜节律的分子机制的面纱,我们对于这一类遗传疾病就可以有更好的治疗手段。
其次,治愈失眠。
随着现代人各种方面的压力倍增,人们的失眠情况越来越严重。而一旦当分子机制的结构被我们完整的剖析出来,这一类型治愈失眠的药物或者说技术将会被不断地开发出来,而这一切都是建立在我们已知睡眠节律调控过程的基础上。
第三,揭示熬夜危害。每个人的身体都是精密的仪器,这个仪器最重要的部件就是细胞,细胞的昼夜节律控制着人的昼夜节律,而一旦人体违背这种昼夜节律,则必然会导致各类疾病的产生。而当我们知道了昼夜节律的分子结构,我们便有了一个具体的方法去判断熬夜对于人体的损害到底是在哪一部分,会产生怎样的危害。
最后,诺奖揭示基因的未来。当人类的研究水平进入到细胞分子水平的时代,基因必将成为人类走向未来的基础。不论基因是潘多拉的魔盒还是通往真理的阶梯,科学家们都将在基因这一块不断的推进研究。现在我们知道基因编码的蛋白质可以控制昼夜节律,未来我们未必不能发现基因控制这人类的记忆、行为以及其他重量级别的研究。而此次诺奖的发布,也告诉了人们:基因领域的研究,必将推动人人类社会的发展。

故事的起源

而说到这个诺奖的源头,想必那一只睡不好的果蝇会感到万分荣幸吧。
在1970年的时候,科学家Seymour Benzer 和他的学生 Ronald Konopka在实验中发现了一只睡不好的果蝇:很有个性的白天睡觉,晚上嗡嗡叫。于是Seymour Benzer 对这个失眠的果蝇产生了兴趣,经过进一步的研究发现:这只与众不同的果蝇是因为体内的一个未知基因的突变从而失去了昼夜节律。
而这个未知的基因,后来被人们叫做:周期基因(period gene)。
这就是一切的开始。
所以,请不要放过实验室里的每个细节,下一个诺贝尔奖,或许就在你不经意间的一个实验当中出现!
苏州华测