生物钟研究进展及与人类健康的关系

1、生物钟研究进展及与人类健康的关系摘 要 生物钟是生物长期进化过程中适应环境周期性变化而演化出的一种内在计时机制，具有重要的生理调节功能。生物钟领 域的研究对于揭示生命运行规律具有重要作用。本文对生物钟研究的发展历程以及生物钟与人类健康的关系进行了综述，以期为 生物学课堂教学中贯穿健康生活理念、落实社会责任提供素材！关键词生物钟生物节律生物钟紊乱疾病健康生活社会责任日出而作、日落而息是人类在与大自然“和解”过 程中形成的行为。其实不仅仅是人类,世间万物都在 顺应着既定规律生长，一座无形的“钟”指引着生物体 精巧地配合着大自然的运行规律，这就是生物钟。地 球有昼夜、季节等周期性更替，相应地，地球上

2、生活着 的生物也进化出一系列调控机体周期性生理生化过程 的机制，以适应地球环境的变化。生物体表现出的这 种周期性变化特征被称为生物节律(biological rhythms)，而生物钟(biological clock)正是生物体感知 环境信号并调控周期性生物节律产生的内源计时机 制1 !它帮助生物预测并适应昼夜节律变化，使其更 好地在地球环境中生存。科学家为了揭示生物钟工作 的内在机制，开展了大量的工作。1生物钟研究的发展历程1. 1 早期生物节律现象与决定因素的探索科学家 对生物钟开展的研究始于植物，1729年法国天文学家 de Mairan注意到了含羞草叶片的昼开夜合变化，引发 了他对含

3、羞草叶片开合规律的思考与探究。他将含羞 草放在持续黑暗环境中，观察到其叶片依旧会进行周 期性开合，由此提出含羞草叶子的周期性运动受内在 “时钟”控制的见解。随后，其他研究者发现动物和人 体内同样存在类似的生物钟，昼夜节律(circadian rhythm)、月 节律(lunar rhythm)、年 节律(cirannual rhythm)等概念也被相继提出。生物节律现象被实验证实后，越来越多的科学家 想找出是什么因素决定了该生命活动，直到20世纪中 期遗传学的发展才使其得以成为可能。1932年，德国 生物学家Bunning以多花菜豆为实验材料，用遗传学 杂交实验验证了生物节律的内源可遗传性。1

4、954年， 美国生物学家Pittendrigh发现果蝇的羽化周期在16 26B温度范围内均可维持在24 h左右，他把这种现象 称为生物节律的温度补偿(temperature compensation) 特性1962年，Aschoff关注了人类生理指标的昼夜节 律变化，发现在与外界环境隔离的情况下，人体睡眠、 体温等指标仍然维持接近于24 h的较为稳定的昼夜节 律性周期，而环境中的多种信号(如温度、光照、进食 等)可以作为授时因子(time giver)调节机体的昼夜节 律相位。上述三位科学家也因在生物节律研究方面做 出的杰出贡献被誉为生物钟研究领域的创始人。到20世纪60年代末，基于科学家在生

5、物节律领 域内不同方向的研究成果，已明确：生物节律具有内 源性、自主性以及可遗传的特点，其不完全依赖于环 境,但光照等环境信号可以作为授时因子对生物节律 进行整合与校准，其中在一定温度范围内，生物节律具 有温度补偿的特性!1.2近现代对生物钟分子机制的揭示伴随遗传学 以及分子生物学的持续发展，科学家将目光聚焦到了 对调控生物节律的内源机制的研究中。20世纪70年 代，美国加州理工学院的Benzer教授和他的学生 Konopka利用化学诱变对昼夜节律失调突变体果蝇进 行了筛选2,并鉴定出了突变基因period ( per),由此 per基因成为第一个被发现的生物钟基因，这在生物钟 分子机制研究领

6、域中具有里程碑意义。1984年，波士 顿布兰迪斯大学的Hall和Rosbash3，以及纽约洛克菲 勒大学的Young4都分别成功克隆出果蝇per基因。 1990年，Hall和Rosbash还揭示，per基因编码的PER 蛋白呈现夜间积聚、白天降解的情况，其表达水平在 24小时内与昼夜节律间保持同步振荡，由此他们推 测：PER蛋白可能通过负反馈机制调节了 per基因表 达,从而实现蛋白周期性波动。Young于90年代也相 继发现了 timeless和doubletime两种生物钟基因，它们 的表达产物TIM蛋白和DBT蛋白均参与到维持生物 钟体制的稳定!随着研究深入，越来越多的生物钟基因被发现,

7、生 物钟的关键分子机制一转录-翻译负反馈环路 (transcription-translation feedback loops, TTFL)也被科 学家揭示(图1),其过程大致为：生物钟基因表达的 TIM蛋白与PER蛋白在细胞质中积累，达到一定浓度 后结合形成二聚体进入细胞核，进而抑制period和 timeless基因活性，由此完成负反馈调控；同时，多种其 他的生物钟元件与基因也参与了该反馈环路,形成复 杂而稳定的周期震荡机制。至此，生物钟的调控本质 真正被揭示。鉴于Hall和Rosbash以及Young在生物 钟基因克隆和分子调控机制研究中的重要贡献，三位 科学家于2013年被授予邵逸夫

8、奖，并于2017年获得 诺贝尔生理学或医学奖。后续的研究还表明，不同生 物的生物钟基因与元件存在一定差异，但TTFL是不同 物种生物钟依赖的主要机制。图1果蝇生物钟分子调控机制项2人类生物钟与健康2. 1人类生物钟调控机制 人体的各种生命活动(如 体温变化、血压波动以及睡眠觉醒行为等)几乎都受到 生物钟的调控。人体生物钟包括了中央生物钟和外周 生物钟。下丘脑 的视交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)作为人体的中央生物钟，是人体内生物 节律中枢，也是生物节律信号产生和输送的源头；外周 生物钟则存在于其他脑区、全身外周组织与器官中，它 们是生物长期进化过程中逐渐形成

9、的以24小时为周 期的相对独立的生物钟。其中，中央生物钟具有调控 和协调外周生物钟保持同步运行的作用，因而被称为 “主钟”。不同物种的生物钟其组成相似，都包括核心振荡 系统、输入系统和输出系统3部分，人类的中央生物钟 和外周生物钟也如此。核心振荡系统即TTFL振荡器, 这是生物钟的“内核处理器”，如图1所示，其由一组呈 节律表达的基因及它们编码的蛋白组成，人和哺乳动 物的TTFL振荡器与果蝇类似，但钟基因以及元件有所 不同，并且会由多个正负调节环组成。输入系统负责 将环境信号传递给TTFL振荡器，不同的生物或同种生 物不同生物钟都有不同的信号输入路径，但都会迅速 改变TTFL振荡器成分的数量和

10、活动，从而重设节律时 相,光照是最为重要的输入信号6 7。输出系统负责 将振荡器产生的节律信号传递向下游,影响下游细胞 及器官的生理活动。以光信号对人体昼夜节律的调节为例，调节昼夜 节律的光信号输入依赖于视网膜中的内在光敏视网膜 神经节细胞(ipRGC),依靠黑视素(melanopsin)吸收波 段为480 nm的可见短波蓝光，ipRGC感受光线强弱变 化，并将外界的光信号转变为电信号，通过视网膜一下 丘脑传导束向SCN传递，参与调节生物体昼夜节律、 瞳孔对光反应等非图像视觉活动。由于ipRGC介导的 光感受过程属于非自觉视觉感知，其有别于视锥和视 杆细胞介导的传统光感受过程,因此，某些光感受

11、器受 损的患者仍可保留一定的瞳孔对光反射，并保持正常 的昼夜节律。SCN内具有多种神经元，每种神经元因分布区域 不同会有不同的功能。例如：腹外侧SCN神经元具有 光诱导基因表达的能力，可以直接接收ipRGC传递的 光信号，它们接收光信号后会发生细胞水平Ca2+波动, 进而影响相应神经元的生物钟基因表达；背内侧SCN 神经元在黑暗环境中也能保持24小时的昼夜节律，这 奠定了生物钟内源性的基础。SCN内不同亚区的神经 元其节律振荡并非完全同步，腹侧神经元和背侧内源 性的神经元通过 H氨基丁酸(GABA)在神经突触偶 联同步，然后由背侧神经元输出节律信号给外围的器 官和组织，最终以保证输出节律的一致

12、性。SCN输出的信号分子主要有神经递质和激素分 子，它们分别介导神经元途径和神经内分泌途径以调 控机体的体温和休息活动节律、心率、皮质醇和褪黑素 分泌等生理节律。总体来讲,受光信号诱导，SCN产生 的振荡信号以分泌神经递质或者激素分子的形式输 出，作用于其他脑区(如下丘脑的下旁室区、丘脑室旁 核区等)以及外周组织与器官(如肝脏、甲状腺、肾上 腺等)，影响外周生物钟，诱导各器官功能和行为节律 的产生，控制机体的代谢功能，共同维持机体的生理 活动。近期,美国西北大学的一支研究团队在小鼠模型 中又识别出一组ipRGC亚群，其在大脑非成像脑区释 放抑制性神经递质GABA,该物质能抑制瞳孔光反射 和昼夜

13、节律光协同化的敏感度，使大脑非成像区对弱 光的灵敏度降低,以此减少对生物节律的影响，防止身 体的生物钟做出太多不必要的调整8。2.2生物钟紊乱与疾病随着研究的不断深入，科学 家发现人的机体内许多病理变化可能与生物钟紊乱有 关，例如阿尔兹海默症、癌症、代谢性疾病等。阿尔兹海默症(Alzheimefs disease, AD)是一种常 见的神经退行性疾病，病人常伴有睡眠一觉醒节律的 紊乱，主要表现为不同程度的失眠、嗜睡、晨昏夜醒等 睡眠异常症状，大脑中6 -淀粉样蛋白沉淀与Tau蛋白 聚积是AD的重要病理特征。由于病人的认知功能损 伤水平也与生物节律紊乱程度显著相关，因此科学家 认为生物节律的紊乱

14、和AD有很大的关联性，目前已 有研究证实，上述两种蛋白在大脑中形成的斑块大小 与病人痴呆程度相关，而2018年，美国国立卫生研究 院（NIK）研究者们测试了 20名认知正常的健康人，发 现仅一次通宵活动就会增加受试者大脑内6 -淀粉样 蛋白沉淀水平，并导致血浆Tau蛋白水平上升顷，这也 为生物钟紊乱与AD的关系进一步增添了证据。生物钟紊乱与肿瘤的关系也备受关注。生物钟参 与了细胞增殖、代谢、衰老和DNA损伤反应等过程，这 些过程的紊乱与癌症的发生有关10 目前多个研究 已发现，癌症患者体内发生了生物钟基因及其表达、生 物钟蛋白功能异常等现象11，例如：人体细胞有两种 关键的生物钟蛋白REV-E

15、RB# （又称NR1D1）和 REV-ERB6（又称NR1D2），健康人这两种蛋白的活性 水平在24小时中呈稳定波动，以此对能量获取通路进 行周期性调节，使细胞内能量维持在稳态;但癌细胞中 REV-ERBs节律紊乱，这导致癌细胞可持续获得能 量，进行快速增殖。近年来，已有科学家基于生物钟紊 乱与癌症间的关系进行了逆向研究，即通过调节生物钟 基因表达实现抗癌的目的 2018年，美国索克研究所的 Panda教授通过药物，将培养皿癌细胞中的REV - ERBs 激活,成功抑制了多种癌细胞的脂质合成和自噬路径， 切断了癌细胞能量获取的途径，迫使癌细胞因能量不 足而走向凋亡12 相关研究为癌症治疗提供了

16、新的 思路。人体代谢性疾病与生物钟紊乱间的关系也受到了 关注。众所周知，肠道免疫细胞在免疫调节、脂质代谢 等方面发挥着重要作用。2019年，自然杂志刊登 了一项来自西班牙学者的研究成果，研究者们对小 鼠肠道内一种重要的免疫细胞一3型天然淋巴细 胞（ILC3）进行了分析13，结果发现：该细胞的生物 钟相关基因处于高表达水平，且呈现明显节律性;当 通过光信号使小鼠昼夜颠倒时，小鼠ILC3的生物钟 基因表达规律也发生了变化，导致ILC3昼夜节律紊 乱，无法在肠道行使正常功能，进而肠道内免疫失 衡，免疫防御能力降低，微生物群的构成和脂质代谢 均受到不良影响，严重的还可能导致机体肥胖以及 肠道疾病的发生

17、。除上述病理过程外，生物钟可能在抑郁产生中也 扮演重要的角色，例如临床研究发现，抑郁症病人表现 出明显的节律紊乱特征,并常伴有机体褪黑素分泌异 常，而褪黑素作为传递时间信号的重要因子，其在协调 机体的生物节律中起着重要作用。另外，英国曼彻斯 特大学的Joan以及Kadler等研究也发现，通过基因敲 除选择性破坏小鼠跟腱的生物钟后，小鼠跟腱胶原纤 维出现异样，也就是说机体胶原蛋白的合成与降解过 程也依赖于生物钟，生物钟紊乱会造成胶原蛋白纤维 内稳态改变、结构紊乱、弹性下降等14 2.3生物钟紊乱因素综上可以看出，生物钟紊乱对 身体健康造成的不利影响非常多，那么哪些因素会造 成生物钟的紊乱呢？研究

18、发现，光暴露减少会引起生物钟紊乱，导致睡 眠觉醒节律障碍等。这主要是由于GABA抑制环路的 存在，使得ipRGCs所介导的非图像成像视觉通路只有 在强光照下才能发挥正常的生理功能，而普通室内光 线最多只能提供自然光照强度的5%且又以长波长的 红光为主，无法起到有效刺激pRGCs的作用15 这也 解释了为什么长期昼夜颠倒的人容易出现睡眠觉醒节 律紊乱现象。因此，白天安排适量的户外活动并接受 光照对维持生物钟稳定有积极作用此外,无节律进食行为也会对生物钟的稳定造成 影响 2019年，剑桥大学的Crosby博士用药物控制小 鼠的胰岛素信号变化，发现胰岛素信号能改变细胞生 物钟蛋白的积累1$，进一步的研究表示，胰岛素通过 促进PER2 mRNA的翻译，增强PER2蛋白的积累，改 变PER2蛋白的震