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2017年诺贝尔生理学或医学奖获得者:他们发现了“生命时钟”的奥秘
日期:2017年10月24日点击次数:4980来源:文汇作者:卫中

植物为何会白天开花、夜晚花谢?为何飞越半个地球,人们需要倒时差?这都是由生命体内的生物钟所控制的。科学家通过几十年努力,为我们清楚揭示了其中的奥秘。

今天傍晚揭晓的2017年诺贝尔生理学或医学奖,授予了三位在这一领域做出开创性杰出贡献的遗传学家:美国布兰迪斯大学的杰弗里·霍尔教授、迈克尔·罗斯巴什教授,以及美国洛克菲勒大学的迈克尔·杨教授。颁奖词称:他们“因发现昼夜节律的分子机制而获奖”。

此前人们从未想过一个行为可以由基因来控制

生命体适应地球环境的一个重要表现就是,感知并适应地球各种周期的变化,比如昼夜节律(夜伏昼出)、季节变化(冬眠)等。这种行为几乎普遍存在于从低等到高等的各种生命体内,细菌、藻类,直到哺乳动物,乃至人类。

“在这一发现之前,人们从未想到过,一个行为可以由基因来控制。”中科院神经科学研究所研究员严军说,自从孟德尔发现遗传规律,大家知道基因可以控制生命体的一些基本特征,比如种子的大小、眼睛的颜色等,但一种相当复杂的行为也可以由基因来控制,这还是第一次。

这也是诺贝尔奖第一次颁给昼夜节律的研究领域,尽管生命科学界的同行已经期待了好多年,感到这个领域应该获奖,因为它涉及到了如此基础的生命活动,已经成为一项经典研究。“其实,最应该得这个奖的是美国分子生物学家西摩·本泽,他已在2007年去世。”严军说,今年的三位获奖者是基本都是本泽的晚辈。上世纪七十年代,本泽曾在果蝇身上发现通过基因变异,可以将果蝇的生物钟调快、调慢,甚至关闭。虽然这未解释生物钟如何运作,但却踏出了关键一步。

在这个基础上,1984年,三位获奖者发现并克隆出了这个基因,将其命名为PER,周期基因(period gene)的缩写。随后,他们又发现了一系列相关的生物钟基因。严军解释,控制生物钟的基因仿佛构成一个钟摆,PER是其中的重要一环,而其他生物钟基因和它一起“摇摆”,来调控生命体的生物节律。

模式生物“果蝇”摘得的第五个诺贝尔奖

这是果蝇作为模式生物,第五次帮助科学家摘得诺贝尔奖。由于果蝇的基因组相对简单,繁殖速度又快,所以在研究很多生命现象时,它都是科学家的有力助手。此前的1933年、1947年、1995年和2011年,科学家四次因研究果蝇而摘得诺奖,今年,生物钟的研究让果蝇再次引人瞩目。

严军介绍,这次的获奖者几乎都是果蝇的研究专家。他们发现携带PER基因的果蝇突变体中,昼夜活动节律被打乱了,在本应安静的晚上,却表现得和白天一样。经过多年持续探索,生物节律如今已成为生命科学研究中动物行为方面分子机制最为清楚的领域之一。比如,哺乳动物的PER基因有三个拷贝,这些基因上的那些氨基酸的突变会引起生命体怎样的行为,都有详细的研究,“可以说,生物钟的研究已经深入到了原子水平。”

生物钟控制着人类的行为和代谢。中科院上海植物生理生态研究所刘宏涛研究员介绍,控制生命节律的一个核心基因CRY最早在植物中被发现,作为蓝光受体发挥功能,后来才发现它也是生物钟中央振荡器的关键基因,参与众多生理反应调控。后来还发现它参与感应磁场,在鸟类迁徙中发挥重要功能。

严军说,这些发现正在解决很多实际问题,也在为个性化医疗提供可能。比如,人体大脑内松果体分泌的褪黑素,可能影响人的昼夜节律,被广泛用于调节睡眠。现在,不少手机应用可以记录人的睡眠、运动情况,并由此推断每个人的生物钟,这为某些药物的给药时间提供了参考。同时,在一天中,有些时段癌症细胞生长比较快,那么抑制癌细胞的药物在此时使用,效果可能最为明显。在植物领域,生命节律的调控还可帮助植物获得更高的产量。

科学家逐渐发现,节律研究尤其是昼夜研究,与人体众多疾病有着重要关联。瑞金医院上海市内分泌代谢病研究所副研究员王计秋告诉记者,现有研究发现,生物体的昼夜节律紊乱,与肥胖、糖尿病、高血脂、高血压、高血糖等内分泌代谢病,乃至肿瘤的发生发展都有关联。

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