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2017 諾貝爾生理醫學獎:掌管晝夜律動的生理時鐘

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是否曾好奇,是什麼讓你從臺灣飛到美國當晚,明明很累卻睡不著,等到白天明明該醒著的時候,又睏得恨不得地上一躺就沈沈睡去?但很奇妙的,過幾天以後便可以與當地的人們一同作息,等到束裝回國後,又要再來一次「調時差」?

「生理時鐘」(circadian rhythm)。生活在地球上的我們,由於地球大約每 24 小時自轉一次,讓我們的生活有了晝夜之分;為了配合晝夜輪替的世界,我們的基因表現也需要「配合演出」,才能讓自己完美地生存在這個世界!可是,人體共有超過兩萬個基因,這些基因當然不可能個別一一對晝夜環境變化進行反應,而是透過俗稱的「時鐘基因組」(clock genes)來調節全身上下所有的基因表現。

2017 諾貝爾生理醫學獎頒給了美國的霍爾(Jeffrey C. Hall)、羅斯巴希(Michael Rosbash)和楊恩(Michael W. Young)對動物如何調節生理時鐘機制的研究,他們以果蠅(Drosophila melanogaster)為材料,發現果蠅的生理時鐘調節乃是透過包含 PERPERIOD)、TIMTIMELESS)、DBTDOUBLETIME等幾個主要的基因來進行的。

雖然調節生理時鐘機制的研究是在果蠅中被詳盡的研究,但大家有所不知的是,最早的生理時鐘研究其實是從菜豆(Phaseolus vulgaris)開始的喔!

生理時鐘研究的起源

1729 年法國天文學家迪米宏(Jean Jacques d’Ortous de Mairan,1678-1771)注意到暗室中的含羞草葉片依然在早晨會打開、夜晚閉合;但他僅僅將這個現象給記錄下來,並沒有做更多的研究。直到大約一百五十年後(1875),德國植物生理學家菲佛(Wilhelm Pfeffer,1845-1920)以菜豆為材料,從 1875 年直到1915 年發表了許多關於菜豆葉片運動的文章。甚至為了觀察方便,他還設計了一個紀錄葉片運動的儀器。

法國科學家迪米宏研究示意圖。來源:Nobelprize.org

法國科學家迪米宏研究示意圖。來源:Nobelprize.org

他發現只要他把菜豆放在連續黑暗足夠長的時間之後,便可使菜豆的葉片運動消失。接下來重新讓菜豆接受光-暗循環時,他可以讓菜豆「學會」在他提供的晝夜循環時間進行葉片運動、甚至可以讓菜豆日夜顛倒。當時他的結論是:生理時鐘可以經由學習而來。但因為其他人發現,不論之前將植物暴露在怎樣的光-暗長度循環下,只要回到連續光照的狀況,菜豆很快就會回到一天24小時的生理時鐘。於是他最後下了結論:生理時鐘應該是內生性的、更可能與基因有關。

後來班寧(Erwin Bünning,1906-1990)的實驗進一步發現,生理時鐘的確與基因有關。不論親代生長於如何的晝夜節律下,子代還是維持大約 24 小時的生理時鐘;而他對植物光週期(photoperiodism)的研究,更進一步支持生理時鐘的確由基因控制。

這些成果的累積,使本澤(Seymour Benzer,1921-2007)與他的學生克洛普卡(Ronald J. Konopka,1947-2015)在 1960-70 年代開始以甲磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate,EMS)處理果蠅後,找出生理時鐘異於常「蠅」的突變種。當時他們找到三隻突變果蠅,後來證實都是同一個基因突變:PERPERIOD)。

當時克洛普卡對這些突變果蠅進行了不少研究,但因為技術上的限制,PER 基因直到 1984 年才被楊恩和霍爾與羅斯巴希兩個團隊由果蠅中選殖出來,而真正的研究突破要直到在 1980 年代後期–它的抗體被做出來以後。有了抗體,科學家們發現 PER 蛋白與 mRNA 在夜間達到最高,但 mRNA 的高峰領先蛋白 6-8 小時。

接著研究團隊發現,原來 PER 是個可以進出細胞核的蛋白質,當它在細胞內的量逐漸上升時(ZT4~ZT12,定時器時間 [zeitgeber time],ZT0 開燈、ZT12 關燈),便開始與 TIM 蛋白結合、進入細胞核,接著它會將已經連結在在自己的啟動子上的 CLK 蛋白(CLOCK)磷酸化。這使得 CLK-CYC 雙體離開 PER 啟動子上的 E-box,於是 PER 的表現便被抑制了(ZT18~ZT4)。在開燈(ZT0)後 TIM 蛋白開始分解,這使得 PER 蛋白可以被 DBT 蛋白磷酸化而後分解,於是 CLK 蛋白磷酸化程度降低,又開始可以與 PER 基因的啟動子結合、於是 PER 基因的表現又開始上升了。

為什麼 PER mRNA 出現後 6-8 小時 PER 蛋白的量才開始上升呢?那是由於 DBT 蛋白會將 PER 蛋白給磷酸化的緣故。由於這幾個蛋白質之間相互的轉錄-轉譯反饋迴路(TTFL,Transcription-Translation Feedback Loop),使我們體內許多基因得以隨著晝夜循環不息。

PER 基因調節示意圖。來源:Nobelprize.org

PER 基因調節示意圖。來源:Nobelprize.org

而當年本澤與克洛普卡找到的三隻 PER 基因突變果蠅,其中有一隻呈現生物時鐘完全混亂的狀態,後來發現就如他們預測的,這果蠅的 PER 基因有所謂的「無義突變」(nonsense mutation);而另外兩個生物時鐘週期長度比一般果蠅長或短的,則是「錯義突變」(missense mutation)。由於 PERDBTCLKTIM 等基因互相影響彼此的表現,研究團隊也發現,PER 突變也會造成 TIM 失去節律性等等。

延伸閱讀:生物時鐘與腸道菌有什麼關連?

牽一髮而動全身的「時鐘基因組」

其實這些時鐘基因不只是我們自己體內的基因表現與否,近幾年的研究也發現,CLK 腸道菌節律也有很大的關連喔!剔除 CLK BmalI 基因的小鼠,腸道菌就失去節律了。由此可知,以 PERTIMDBT 以及 CLK 等基因所組成的「時鐘基因組」,控制著我們體內、體外許許多多基因的表現與物種的興替,可說是「牽一髮而動全身」!至於菲佛最早觀察到的「學習」行為,其實是透過光受器蛋白(photoreceptor)輸入光的信號來調整生物時鐘的方式。雖然在飛機發明之前,除了搭海嘯的便車以外,生物們並不會經常有跨洲旅行的機會;但隨著四季更迭,晝夜長短還是會有些改變,因此生物除了內生性的生物時鐘以外,接受外來的信號進行必要的調整,當然也是不可或缺的囉。

發源於植物領域的生物時鐘研究在二十世紀開啟之後,最近一、二十年因為發現輪班工作者的代謝問題也與生物時鐘有關後,讓這個領域受到更多的重視。當年默默觀察黑暗中的含羞草葉片運動的迪米宏、以及費盡苦心發明儀器紀錄菜豆葉片運動的菲佛若有知,應該也會覺得開心吧!

文 / 葉綠舒

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參考文獻:
W.G. Hopkins and N.P.A. Hüner, Introduction to Plant Physiology. 3rd eds. p.424
Scientific Background Discoveries of Molecular Mechanisms Controlling the Circadian Rhythm. The Nobel Assembly at Karolinska Institutet.
P.E. Hardin. 2011. Molecular genetic analysis of circadian timekeeping in Drosophila. Adv. Genet. 74, 141-173.

圖片來源:
Nobelprize.org

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