生命时钟的振荡器——解读2017诺贝尔生理学或医学奖成果

　　

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，地球生命普遍拥有一套内置的时钟，以２４小时为周期调节生理活动，以适应我们这颗行星的自转和昼夜变化。获得２０１７年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家，在分子水平上揭示了生命时钟怎样“滴答”走动。

含羞草叶子在黑暗中仍按昼夜规律开闭，向日葵在太阳尚未升起时已经朝向东方，人在亮如白昼的办公室里待到半夜照样犯困——生物的自然节律并不依赖于外界条件刺激，而是由某种内在机制掌控。钟表的核心元件是振荡器，比如钟摆、机械振子或石英电路，它们产生稳定的周期性振动。

那么在生物体里，这个振荡器是什么？

人们很早就发现生物节律特征可以遗传，随着分子生物学发展，科学界逐渐提出“生物钟基因”的设想。２０世纪７０年代，美国加州理工学院的西摩·本泽和罗纳德·科诺普卡用果蝇做实验，筛选相关的基因突变。

果蝇的破蛹羽化有着特定节律，野生品种只在一天的特定时刻出蛹，周期是２４小时。科诺普卡等人培养并筛选出了周期更长或更短，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，从而定位到了生物钟基因，命名为“周期”基因。但限于技术发展水平，人们当时无法弄清这个基因的代码序列，因为克隆果蝇ＤＮＡ的技术于７０年代晚期才出现。

１９８４年，三名美国科学家，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·扬克隆出了“周期”基因，并把它编码的蛋白质命名为ＰＥＲ。他们发现，果蝇体内的ＰＥＲ蛋白质浓度有规律地变动，振荡周期正是２４小时。至此，人们找到了生物钟的“振荡器”，看到了它的振荡，接下来就是弄清工作原理。

霍尔和罗斯巴什提出了一个“负反馈”机制：ＰＥＲ蛋白质浓度上升会抑制“周期”基因的活动，阻止基因制造出更多的ＰＥＲ蛋白质，导致浓度回落。这就好比攒下几个钱后，人就不继续工作挣钱了。

抑制基因活动必须在细胞核里进行，而ＰＥＲ蛋白质自身无法进入细胞核，需要另一种蛋白质的协助，即扬于１９９４年发现的第二个生物节律基因“无时”，其编码的蛋白质被称为ＴＩＭ。ＰＥＲ蛋白质浓度比较高时，能与ＴＩＭ蛋白质结合，从而获得进入细胞核的“通行证”。

此后还发现了其他几个相关基因，涉及到ＰＥＲ蛋白质的降解、“周期”基因的启动等，与前两种基因共同构成“转录翻译反馈回路”（ＴＴＦＬ），这就是果蝇生物钟的核心振荡机制。

如果把ＰＥＲ蛋白质比拟成钱、“周期”基因的运作比拟成劳动，那么ＴＩＭ蛋白质就可以比作消费欲望，其他基因分别是消费行为、工作动力等等，整个振荡过程可以想像成工薪族钱包鼓起来又瘪下去的周期性变动。

时隔３０多年后，霍尔、罗斯巴什和扬因为这一研究发现最终摘获诺奖。霍尔在获奖后接受美联社采访时说，弄清这一机制有助于解决因昼夜节律紊乱导致的睡眠问题。