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2017年諾貝爾生理學或醫學獎:身體“時鐘”的秘密(圖)

[日期:2017-10-13]   來源:  作者:   閱讀:707[字體: ]

2017年諾貝爾生理學或醫學獎:身體“時鐘”的秘密

新華社斯德哥爾摩10月2日電 瑞典卡羅琳醫學院2日宣布,將2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予三名美國科學家杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·揚,以表彰他們在研究生物鐘運行的分子機制方面的成就。

評獎委員會說,人們過去知道,包括人類在內的許多生物都有內在的生物鐘,但其中原理卻長期不清楚。這些科學家以果蠅為對象,分離出能夠控制晝夜節律的基因,并在分子層面揭示了相關蛋白質的工作機制。

基因突變帶來作息異常

“這項成果回答了生物體最基本的問題,實至名歸。”中國細胞生物學會生物節律分會會長、蘇州大學特聘教授徐瓔接到記者電話時難掩激動:“從人類、動物、植物到細菌,幾乎所有生物體都有生物鐘,它影響著血壓、血糖、睡眠、新陳代謝等各種生理過程和行為方式。更重要的是,生物鐘控制著10%~43%的基因表達。”

徐瓔2003年在美國加州大學舊金山分校神經科學部門從事研究工作。“當時我們在研究一種‘早睡早起’的基因。當地有個家族的人習慣在3時~4時起床,18時~19時睡覺。研究團隊發現,這一家族管理睡眠行為的PER2基因發生了突變。如果把這種突變基因轉給小鼠,小鼠同樣會早睡早起。”

徐瓔回國后繼續從事相關研究,她帶領團隊還研究發現,PER1基因突變的小鼠不僅改變了睡眠時間,還會提前進食。這一研究結果曾發表在《細胞》子刊上。“這也可以在一定程度上解釋某些進食時間異常的現象,比如夜食癥。”徐瓔說。

蘇州大學生物鐘研究中心主任王晗是世界上第一批用斑馬魚模型來研究人類疾病與生物鐘關系的科學家之一。斑馬魚基因與人類基因有著87%的同源性,能幫助揭開人類身體的很多奧秘。

“我們采用反轉錄病毒插入,使斑馬魚的主要生物鐘基因per1b突變,這一突變使得它們的運動量比正常魚多一倍,行為表現與人類多動癥類似。”王晗的研究團隊由此發現多動癥和生物鐘有關,并揭示了注意力缺陷多動癥發病的新機制。在此基礎上,研究團隊建立了斑馬魚注意力缺陷多動癥動物模型,為大規模篩選注意力缺陷多動癥藥物提供了重要材料。后來,這一研究成果發表在美國神經科學學會官方會刊《神經科學雜志》上。

節律紊亂類疾病治療或更精準

此次諾貝爾獎獲得者在果蠅中克隆出per基因,而中國科學院北京生科院研究員孫中生則克隆了哺乳動物的Per1基因。長期從事疾病與生物鐘調控機制研究的孫中生指出,不僅是基因,光照、飲食等環境因素也會影響生物鐘變化。而生物鐘紊亂與精神疾病緊密相關,同時會導致肥胖、糖尿病、高血壓、高血脂等內分泌代謝疾病。

孫中生介紹,光照是生物鐘的重要影響因素之一。如北歐地區整個冬季光照僅為3小時~4小時,當地抑郁癥比例大幅上升,需要進行燈光治療。而美國流行病學調查顯示,夜班護士月經紊亂、代謝性疾病風險增高。

“工業化發展改變社會環境。長時間燈光照射、熬夜、借咖啡提神……現代人的很多行為與體內固有節律背道而馳。因忙碌偶爾打亂生物鐘,不會立刻發病,也最容易被忽略。但長久下去會造成生物鐘失調,對人體健康有嚴重損害,如失眠、免疫力下降、腫瘤易感性增加、誘發阿爾茨海默癥等腦部疾病,甚至與不孕不育也有關系。”王晗介紹,2013年其研究團隊已找到生物鐘基因紊亂與男性生殖障礙相關的直接證據。

“生物鐘研究將給患者提供更精準的治療方案,提示醫療操作進行改變,比如調整檢查或用藥時間,以獲得更佳療效。”王晗介紹,某些疾病,如心臟病、哮喘等,患者在晚上的相關生理指標更明顯,在這一時間段進行監測檢查結果更精確。

“生物鐘是一個完整、精確的系統。數字化和精確性可使生物鐘研究成為其他生命科學提供研究的示范。”徐瓔說。

生物鐘調整成為新課題

“在生命起源的進化過程中,太陽系中的生物體構成的24小時生命節律,是一種與環境達到最佳平衡的適應機制。偶爾偏離24小時后,規律睡眠和飲食,生物鐘也自身具備重設的能力。一般大腦需要1周,肝臟、腸胃需要兩周。”孫中生介紹,人體自身的生物節律實際上是23.76小時,在24小的時光照作用下,精妙的生物鐘順應自然保持著24小時的生物節律。

“生物節律是一個系統性的調控,使得我們能夠更好適應時空變換,比如幫助我們在國際旅行中調整時差。”徐瓔說,隨著全球化演進,處于不同時區的人們越來越多會在同一時間做同一件事情,如國際會議、金融交易等,如何能在關鍵時刻調整生物鐘,降低事故發生率是研究方向。孫中生介紹,美國已研發出72小時不睡覺的藥物,可在有特殊需要時提高警覺性,增強生物節律。

徐瓔還指出,在航天事業中,宇航員脫離了由于地球24小時晝夜自轉,如何在地球以外的星際空間調整自己的生物鐘,也是未來的研究課題。

國內研究接近世界前沿

據了解,20世紀90年代是生物鐘研究發展的黃金時期。從現象到基因機理,從果蠅模型到小鼠再到人類,研究內容、手段都有很大的突破。

“事實上,中國很早就有關于節律的描述性研究,但沒有從分子機制層面的探索。”徐瓔介紹,目前的研究者大部分都有在國外學習工作的經歷。此次諾貝爾獎得主霍爾和羅斯巴什的兩篇文章都有中國科學家的貢獻。

王晗介紹,現在全國已有幾十個大學和科研單位的近100個實驗室在從事植物、動物、人類以及睡眠相關的生物鐘相關研究。2013年國家自然科學基金委員會就也召開會議來探討并且布局中國的生物節律的研究。

“目前,國內的生物鐘研究水平接近世界前沿,果蠅、植物、斑馬魚、小鼠各類研究模型齊備,發展快,與國際交流頻繁。”王晗介紹,近年來,美國、日本、歐洲的學者都曾與我國研究者合作開展研究課題并組織國際會議。


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