“不老药”的前世今生系列之 为你“钟”情
发布日期：2016-12-06 浏览次数：2580
［林奈花钟］1751年博物学家林奈在《Philosophia Botanica》上首次提出了花钟的概念，他发现许多植物都表现出近乎严格的生物节律，它们的开花和闭合在一天中有特定的时刻。蛇床花在凌晨三点悄然开放，黎明前有野蔷薇吐露芬芳，午后阳光最烈的三点万寿菊盛情绽放，入夜后夜来香和昙花带来幽幽暗香。花钟的指示花朵开花与闭合的时间有时受到季节和天气的影响有一定的误差，这是因为植物的生理钟是由内在的节律循环以及外界环境信号的调节共同作用的。人体内也存在着同样的以24小时为周期的生物钟，外界环境是如何影响我们的生物钟的，维持良好的生物节律又是如何影响我们的健康的呢？
生理节律（circadian rhythm）泛指生物体内存在的周期大约为24小时的生理生化过程，circadian 一词来源于拉丁语，circa 是大约的意思，而diēm 在拉丁语中是一天的意思。这种由体内生物钟基因所调控的，以24小时为周期的波动性生理过程广泛存在于蓝藻、酵母、植物以及动物体内。
公元前4世纪，亚历山大大帝时期的一位船长注意到罗望子树的树叶在一天当中的移动是有规律性的，这是人类对于生物节律观察的最早记载。而最早对于人的生理节律的记载可以追溯到公元13世纪，中国古代的中医根据人身体机能在一天或季节中的状态的波动性，选择不同的穴位以及施针方式进行治疗。1729年法国科学家Jean-Jacques d'Ortous de Mairan将含羞草置于恒定黑暗的环境下，发现含羞草叶片的活动仍能保持24小时的波动性变化，这是生物具有内源生物节律的最早证据。1918年，J.S. Szymanski发现动物也可以在没有外界光和温度等信号干扰时仍可以维持24小时的活动和睡眠节律。首个被鉴定的节律基因是上世纪70年代Ron Konopka 和 Seymour Benzer从果蝇中分离出来的“period”基因，其名称代表了“周期”的含义。自此之后哺乳动物细胞内的节律相关基因与通路开始逐渐被一一发现和完善。
随着细胞节律研究的深入，我们逐渐认识到：细胞内有一套复杂而精密的信号通路网络在调控细胞内各种生理生化反应的24小时周期性变化，而这个网络的核心调度中心则是一个由转录因子形成的负反馈系统，正因子CLOCK和BMAL1结合，激活转录负因子PERIOD（包括PER1，PER2，PER3；简称PER）和 CRYPTOCHROME（CRY1，CRY2；简称CRY）。当PER与CRY表达积累到一定程度时会结合在一起，反过来抑制CLOCK-BMAL1的活性，从而导致PER-CRY表达降低，形成每次循环约24小时的负反馈环路。这个核心负反馈系统里的转录因子可以直接或间接地调控细胞内超过10%的基因表达量的节律性波动，如NAMPT, SIRT, cyclin D, Wee等,参与细胞周期、细胞代谢以及DNA损伤修复等通路的调控，维持机体的稳态。
Albrecht, Urs, and J. A. Ripperger. Encyclopedia of Neuroscience 67.8(2009): 759-762.
除了细胞内核心的生物节律基因维持体内生物钟的运转，外界环境中的光照、温度、湿度等信号，可以通过皮肤等感受器传达到体内生物钟的调控中心——视交叉上核(SCN)中，调节个体的生物节律。以光信号为例，2003年伦敦帝国学院医学系以及霍华德－休斯医学研究所的Foster和Yau团队合作发现视黑素蛋白（Melanopsin）是自主感光神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)可直接接受光信号的关键。我们视网膜上的神经节细胞可以通过视黑素以及双极细胞（bipolar cells）和无长突神经细胞（amacrine cells）接受从视锥细胞和视杆细胞处传来的光信号。这些神经节细胞形成视网膜下丘脑束（retinohypothalamic tract）通过释放神经递质谷氨酸盐以及垂体腺苷酸环化酶促多肽apituitary adenylate cyclase activating polypeptide）传递信息至视交叉上核。视交叉上核是哺乳动物生物钟的调控中心，就像调度中心，协调全身各个器官和组织的生物节律，维持稳定。
Kondratov, Roman V. Ageing Research Reviews 6.1(2007):12-27.
核心生物节律基因直接或间接调控许多重要信号通路上的基因的波动性表达，包括调控代谢和线粒体生物合成的SIRT1、调节端粒长度的端粒酶、线粒体动力相关基因Fis1等。2016年哈佛医学院布莱根妇女医院Benjamin Ebert教授发表在著名学术期刊《Cell》上的研究发现节律周期蛋白BMAL1和CLOCK在干细胞中的表达量显著地高于前体细胞和终末分化细胞。而相比于BMAL1杂合型小鼠，BMAL1缺失小鼠中造血干细胞的比例显著下降，提示正常的节律对维持干细胞功能有重要作用。这些研究提示我们，生物钟与健康和衰老之间有密切的联系。细胞内的生物钟是通过什么机制来调控衰老进程呢？匹兹堡大学Colleen McClung 研究团队用对141个人的前额皮质区进行转录组分析，他们筛选出1000多个基因表达的周期性模式随衰老发生了改变，其研究结果提示衰老过程中伴随着生物节律的改变。与此同时，科学家们也将目光锁定在核心节律基因上，第一只BMAL1 基因敲除小鼠2000年诞生于威斯康辛大学麦迪逊分校医学院Christopher A. Bradfield 实验室，发现BMAL1基因的缺失导致小鼠生物节律完全紊乱。美国克利夫兰医学中心Lerner 研究所Marina Antoch 实验室的Roman Kondratov在此基础下进行关键节律基因与健康和寿命之间的关系的研究。他们发现BMAL1缺失的小鼠平均寿命只有约37周，而野生型小鼠的平均寿命超过两年。基因缺陷型小鼠还表现出严重的早衰表型包括：老年性肌少症、白内障、皮下脂肪减少，器官萎缩等。还有其他实验室的研究表明，BMAL1缺失的小鼠出现不育、糖代谢功能受损等生理缺陷。
BMAL1 缺失的小鼠（C、D）与野生型小鼠 (A、B)相比，缺乏抵御外界环境变化维持自身节律稳定的能力Bunger, Maureen K., et al. Cell 103.7(2000): 1009-1017.
BMAL1 缺失的小鼠寿命减少，体重降低，加速衰老Kondratov, Roman V., A. A. Kondratova, and V. Y. Gorbacheva. Genes & Development 20.14(2006): 1868-73.
此外，核心节律基因（BMAL1, CLOCK, NPS2, CRY, PER等）的缺失或多或少地会导致生物节律周期或振幅的改变并造成不同程度的健康问题。CLOCK突变导致小鼠生育能力的降低以及妊娠综合症的高发，还有肥胖等代谢综合症。在低剂量的辐射照射下，CLOCK突变小鼠更易发生严重的早衰症状。PER2 缺陷的小鼠表现出更强烈的酒精摄入倾向以及谷氨酸能代谢的改变，它们在接受辐射时有更高的癌变机会。另一方面，与核心节律基因相偶联的重要信号通路可能也是生物钟调控的关键因素之一。中科院上海生命科学院张洪钧研究员发现在年轻小鼠细胞内SIRT1 通过去乙酰化PGC-1α 蛋白，促进其与RORα的协同作用于 BMAL1的RORE启动子区域，促进BMAL1的转录，BMAL1和CLOCK形成的异二聚体作为转录因子直接促进SIRT1依赖的NAD＋合成过程中的限速酶的Nampt的周期性表达，BMAL1和SIRT1由此形成正向的反馈调节循环。这一积极的正反馈循环随着年龄的增长而显著下降，BMAL1和SIRT1在年老小鼠大脑区域表达量与年轻小鼠相比有显著下调，暗示衰老过程中生物节律对于代谢的调控机能的下降，该成果 2013年发表于《Cell》杂志上。
大脑SIRT1的高表达促进小鼠适应环境维持节律的能力Chang, H. C.,and L.Guarente. Cell 153.7(2013): 1448-60.
在了解维持良好的生物钟对于健康和延缓衰老的重要意义的同时，科学家们也在思考和探索如何在衰老过程中控制体内节律基因的表达，从根源上扼住衰老的步伐。REV-ERBα的转录受BMAL1和CLOCK调控，它还可结合到BMAL1 的RORE启动子区，抑制BMAL1的转录，形成另一个负反馈循环。霍华德·休斯医学研究所Michael Downes和Ronald Evans 研究团队首次发现FBXW7靶向被CDK1磷酸化后的REV-ERBα，使其泛素化降解这条通路调控节律基因波动的振幅。敲除FBXW7来抑制这一过程可以改变节律基因波动的振幅而不影响其周期。这种调节显著影响肝脏脂肪和能量代谢。这项研究于2016年1月发表于在《Cell》杂志，为科学家们寻找调节生物钟的机制提供了一个新的思路。
Xuan Zhao, et al. Cell, 2016, 165(7):1644-1657.尽管科学家们目前还没有发现能特异性地针对核心节律蛋白的能够维持生物节律却没有副作用的“特效药”，但人们仍然可以通过避免光污染和倒班工作等，保持与外界环境相协同的健康的睡眠循环以及摄食规律，维持生物节律的稳态。来自日本大阪大学的Nana Takasu 于2015年发表在《Cell Reports》的研究就表明，通过改变外界光照条件使其与CRY缺陷的中年雌鼠的生物钟相匹配可以神奇地使雌鼠的发情周期重新规律化，回复青春时期的生育能力。调节好我们身体里的“时钟”，维持健康的生物节律，可能就是最好的“不老药”啦。
（来源：醉心科学）
