科普：生命时钟的振荡器——解读２０１７诺贝尔生理学或医学奖成果

本篇文章1163字，读完约3分钟

新华社北京10月2日电(记者王艳红)从蓝绿藻到真菌，从植物到动物，地球上的生命一般都有一套内置的生物钟，它们以24小时为周期调节生理活动，以适应地球的自转和日变化。三位获得2017年诺贝尔生理学或医学奖的科学家揭示了生命的时钟是如何在分子水平上滴答作响的。

在黑暗中，含羞草的叶子仍然按照昼夜规律开合，向日葵在太阳升起之前面向东方，人们在办公室里仍然像白天一样昏昏欲睡，直到午夜——生物的自然节律并不依赖于外部条件的刺激，而是受到某种内在机制的控制。钟表的核心部件是振荡器，如钟摆、机械振动器或应时电路，它们产生稳定的周期性振动。

那么这种生物体内的振荡器是什么呢？

人们早就发现生物节律特征是可以遗传的。随着分子生物学的发展，科学界逐渐提出了“生物钟基因”的概念。20世纪70年代，加州理工学院的西摩·本泽尔和罗纳德·科诺普卡用果蝇作为实验来筛选相关的基因突变。

果蝇化蛹有特定的节律，野生品种只在一天中特定的时间产生蛹，周期为24小时。科诺普卡等人培育并筛选出周期较长或较短，甚至没有周期的果蝇，发现它们在基因组的同一区域发生突变，从而定位了生物钟基因，命名为“周期”基因。然而，由于技术发展水平的限制，当时人们无法理解这一基因的编码序列，因为克隆果蝇DNA的技术直到20世纪70年代末才出现。

1984年，三位美国科学家，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴殊和迈克尔·扬，克隆了“周期性”基因，并将其编码的蛋白质命名为PER。他们发现果蝇的PER蛋白浓度有规律地变化，振荡周期正好是24小时。此时，人们发现了生物钟的“振荡器”，并看到了它的振荡。下一步是找出工作原理。

Hall和Rosbash提出了一个“负反馈”机制:PER蛋白浓度的增加会抑制“周期性”基因的活性，阻止基因产生更多的PER蛋白，并导致浓度回落。这就像存了几美元，人们不再继续工作赚钱。

基因活性的抑制必须在细胞核中进行，但PER蛋白本身不能进入细胞核，需要另一种蛋白的帮助，即1994年发现的第二个生物节律基因“Anytime”，其编码蛋白被称为Tim。当PER蛋白的浓度相对较高时，它可以与TIM蛋白结合，从而获得进入细胞核的“通行证”。

此后，又发现了其他几个相关基因，包括PER蛋白的降解和“周期性”基因的启动，这些基因与前两个基因一起形成“转录翻译反馈环”(TTFL)，这是果蝇生物钟的核心振荡机制。

如果PER蛋白被比作金钱，而“周期性”基因的运作被比作劳动，那么TIM蛋白就可以被比作消费欲望，而其他基因则是消费行为、工作动机等。整个振荡过程可以想象为工薪阶层钱包鼓鼓和崩溃的周期性变化。

30多年后，霍尔、罗斯巴什和扬最终因这一研究发现获得了诺贝尔奖。霍尔在获奖后接受美联社采访时说，了解这一机制将有助于解决由昼夜节律紊乱引起的睡眠问题。