生物体都自己的生理时钟（circadian clock，又称昼夜节律），控制着睡眠、进食和免疫反应等行为，周期通常为一天。然而，生物体内的单细胞也有自己的生理时钟，其周期可能会发生很大变化，比一天更长。一般来说，这些细胞在基因表现上应该相同，那造成每一个细胞生理时钟差异的原因，仍是科学家极力想要厘清的。
近日，UT 西南医学中心神经科学系的研究团队发现，DNA 甲基化（表观遗传）的差异以及非遗传性波动是造成单细胞之间的基因活性差异，进而造成每个细胞的生理时钟不同。
该研究团队以基因改造的老鼠细胞为研究模型，当他们将小鼠细胞的生理时钟基因 PER2 打开时，单细胞就会发出萤光。然后，他们观察到细胞的生理周期，从较短的 21.5 小时到较长的近 28 小时。再来，他们在此范围的极端条件下分离细胞，并将它们在培养皿中的复制且生长时，发现这些细胞能维持其周期。即使经过数月的多次细胞分裂，短期和长期细胞仍保持其极端的周期长度，可以推论周期长度受到遗传的控制。
接着，他们比较二组细胞之间的基因表现时，发现了成千上万个活跃的基因。这些基因中的许多似乎在大规模网络中协同工作，并且与应激反应讯息传递途径和代谢途径相关，进而强调了这些过程在生理时钟周期中的重要性。另外这些细胞的活性取决于对 DNA 甲基化，而不是导致基因的 DNA 序列差异。
另外，他们进一步发现，生理时钟周期较长的细胞其周期变化最大，而这种差异是由基因活性的随机波动引起的。当细胞表现出的这种非遗传性波动越多，它们平均的生理周期就越长。当他们将增加基因活性波动的药物加入细胞内时，细胞的生理时钟周期平均增加了约 1.5 小时。
该研究作者 Joseph S. Takahashi 博士表示，由上述结果显示，细胞的生理时钟受到遗传和非遗传的控制。如果能更进一步了解这些机制，可望替生理时钟功能下降有关的自然过程和健康问题提供一些新的见解，例如老化和癌症。它也可望帮助研究人员能更好地了解生物体如何在使生物时钟紧张的情况下（例如时差）保持灵活性。生物细胞群体的可变性使其更具灵活性，并且提高了生物体的适应力。
延伸阅读：BMAL1 基因缺失，生理时钟仍不受影响？参考资料：
1. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 117 (19): 10350 DOI: 10.1073/pnas.1922388117
2. eLife, 2020; 9 DOI: 10.7554/eLife.54186
3. https://www.utsouthwestern.edu/newsroom/articles/year-2020/understanding-the-circadian-clocks-of-individual-cells.html
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