科学家发现生物钟的最后一块拼图

最近，北卡罗来纳州大学（UNC）医学院的研究人员，发现了两个基因——Period和Cryptochrome如何使所有人类细胞中的生物钟每天24小时（以及四季）保持在适当的时间和节奏。相关研究结果发表在最近的《Genes and Development》杂志，对于各种疾病的药物开发具有重要的意义。

　　

生物通报道：最近，北卡罗来纳州大学（UNC）医学院的研究人员，发现了两个基因——Period和Cryptochrome如何使所有人类细胞中的生物钟每天24小时（以及四季）保持在适当的时间和节奏。相关研究结果发表在最近的《Genes and Development》杂志，对于各种疾病（如癌症和糖尿病，以及代谢综合征、失眠症、季节性情感障碍、肥胖甚至时差综合症这样的疾病）的药物开发具有重要的意义。

本文资深作者、生物化学和生物物理学教授Aziz Sancar博士称：“发现这些生物钟基因如何相互作用，已经等待了很长的时间。一段时间来，我们已经知道，有四种蛋白质参与了产生昼夜节律性，但是并不知道它们确切做了什么。现在我们知道所有细胞中的时钟如何重新设定。所以，我们对于‘如果用治疗方法靶定这些蛋白质会发生什么’有一个更好的理解。”

在所有的人类细胞中，有四个基因——Cryptochrome、Period、CLOCK和BMAL1齐心协力地控制人体生理学中的周期性变化，如血压、体温和休息-睡眠周期。这些基因控制生理学的方式，可帮助我们为新的一天做好准备。这就是所谓的生物钟。它让我们保持适当的生理节奏。当我们尝试快进或倒退自然的24小时一天，例如当我们飞行7个时区，我们的生物钟不会轻易放过我们；基因和蛋白质需要时间来调整。时差综合症的感觉就是，我们的细胞“重新调整”到它们的新环境和一个太阳日的新起点。

此前，科学家们发现，CLOCK和BMAL1一前一后地发挥作用，来启动生物钟。这些基因与其他许多基因相结合，并将开启它们表达蛋白质。这使得细胞（如脑细胞），用在一天开始时我们需要它们的方式，发挥作用。

具体而言，CLOCK和BMAL1与一对基因（称为Period和Cryptochrome）相结合，并开启它们表达蛋白，在若干修改之后，这最终会抑制CLOCK和BMAL1活性。然后，Period和Cryptochrome蛋白质降解，使生物钟重新开始。

Sancar在1998年发现了Cryptochrome基因，他说：“这是一个反馈回路。抑制需要24小时。这就是为什么我们可以在一整天看到基因活性上升，然后下降。”

但是科学家们不知道，基因抑制和蛋白质降解在后端究竟是如何发生的。事实上，在用一种化合物压制Cryptochrome及用另一种药物阻止Period的实验过程中，其他研究人员发现，这对生物钟的影响不一致，表明Cryptochrome和Period没有相同的作用。除了生物钟之外，UNC Lineberger 综合癌症中心成员Sancar还研究了DNA修复，认为这两个基因可能具有互补的作用。他的研究小组进行了实验并找到了答案。

Sancar实验室的研究讲师Chris Selby博士，使用两种不同的遗传学技术，首次制备了缺乏Cryptochrome和Period的细胞株。（每种细胞具有每个基因的两个版本。Selby敲除了所有四个拷贝）。

然后，本文第一作者、Sancar实验室的博士后研究人员Rui Ye，将Period放回到新的突变细胞中。但是Period单独并不抑制CLOCK-BMAL1；在细胞内它实际上没有活性功能。

接下来，Ye将Cryptochrome单独放回到细胞株中。他发现，Cryptochrome不仅能抑制CLOCK和BMAL1，还能无限期地使它们沉默。

Sancar说：“Cryptochrome只是待在那里。它并不降解。生物钟不能重新启动。”

在最后的实验中，Sancar的研究小组将Period添加到具有Cryptochrome的细胞中。当Period蛋白在细胞内积累时，科学家们发现，它开始移除Cryptochrome以及CLOCK和BMAL1。这导致Cryptochrome的最终降解，然后，CLOCK-BMAL1基因任意重启生物钟重新完成24小时周期。

Sancar说：“我们所做的就是显示整个生物钟是否确实有效。现在，当我们筛选靶定这些蛋白质的药物时，我们知道会有不同的结果，以及为什么我们会得到这些结果。无论对于时差综合症或季节性情感障碍的治疗，还是对于癌症治疗的控制和优化，我们都必须确切知道这个时钟是如何工作的。”

2010年，在本研究之前，Sancar的实验室发现，在一天当中XPA酶的水平升高或降低，与生物钟的自然振荡同步。Sancar的研究小组提出，当XPA处于最低水平时，化疗将是最有效的。对人类来说，是下午晚些时候。

Sancar说：“这意味着，DNA修复是由生物钟控制的。这也意味着，为了使其他治疗更加有效，癌细胞中的生物钟可能成为癌症药物的靶标。”

（生物通：王英）

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Final pieces to the circadian clock puzzle found
http://phys.org/news/2014-09-pieces-circadian-clock-puzzle.html