撰文 | 邁克爾·揚（Michael W. Young）
本文作者 Michael W. Young
你必須克服想在晚上7點上床睡覺的沖動，下午3點你已饑腸轆轆，但過了晚餐時間就沒有任何食欲了，你凌晨4點醒來就無法再次入睡。這些情形對眾多從美國東海岸飛到西海岸加州的人來說是那么熟悉，這種旅行必須經(jīng)歷3小時的時差。為期一周的商務(wù)旅行或度假后，你的身體剛剛才適應(yīng)了新的作息時間表，而你卻必須馬上返回家中，去再次適應(yīng)以前的例行時間表。
我和同事幾乎每天都讓一批果蠅經(jīng)歷從紐約到舊金山或從舊金山到紐約的模擬旅行的時差效應(yīng)。我們實驗室有幾個冰箱大小的恒溫箱——一個貼上“紐約”標簽，另一個則貼上“舊金山”標簽。恒溫箱中的燈隨著兩個城市太陽的起落而照亮或熄滅。（為了統(tǒng)一起見，我們規(guī)定上午6點為日出，下午6點為日落，對兩個城市都是如此。）兩個恒溫箱的溫度都保持溫和的恒定溫度華氏77度（攝氏25度）。
果蠅在小玻璃管內(nèi)進行模擬旅行，而玻璃管放在用一窄束紅外光監(jiān)測果蠅活動的特殊裝置盤內(nèi)。果蠅一飛進光束內(nèi)，它就在裝置盤上的光電晶體管上產(chǎn)生一個投影，而光電晶體管則連接到用于記錄果蠅活動情況的計算機上。從紐約時間變到舊金山時間并不意味著我們的果蠅做了5小時旅行：我們僅僅是把放有果蠅的裝置盤從一個恒溫箱中拿出來，然后放入另一個恒溫箱中并連接好。
我們已經(jīng)利用橫貫大陸的高速公路識別和研究了幾種基因的功能，這些基因似乎正是生物鐘構(gòu)件中的齒輪，而生物鐘則控制著從果蠅到老鼠和人類等大量生物的晝夜周期。識別這些基因能讓我們確定它們所編碼的蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)則可能成為大量疾?。ɡ缢呤д{(diào)和季節(jié)性抑郁癥）的治療方法的標靶。
人類生物鐘的主要齒是交叉上核（SCN），即腦底面一個區(qū)域（海馬）的神經(jīng)細胞簇。每天早上，當光刺激視網(wǎng)膜的時候，特定的神經(jīng)就向SCN傳遞信號，而SCN則控制著大量生物活性物質(zhì)的產(chǎn)生周期。例如nSCN刺激稱為松果腺的一個間腦區(qū)域。根據(jù)來自SCN的指令，松果腺有規(guī)律地產(chǎn)生褪黑激素，即所謂睡眠荷爾蒙，現(xiàn)在許多保健食品商店有這種東西的藥丸出售。隨著白晝逐漸轉(zhuǎn)為黑夜，松果腺慢慢開始產(chǎn)生更多的褪黑激素。隨著這種激素在血液中的含量的提高，人體溫度略有下降，從而增強了睡眠傾向。
人類生物鐘
雖然光似乎每天都“重新啟動”生物鐘，但是甚至那些同光隔絕的人的晝夜節(jié)律依然繼續(xù)發(fā)生作用，這表明SCN的活動是與生固有的。20世紀60年代初期，當時在德國塞維森馬克斯普朗克行為生理學(xué)研究所的Jurgen Aschof及其同事揭示，自愿受試者生活在與世隔絕的地堡中，沒有任何自然光，沒有鐘及其他有關(guān)時間的線索，然而他們大體上保持了25小時的睡一醒周期。
2000年左右，哈佛大學(xué)Charles Czeisler，Richard Kronauer及其同事已確定，人類晝夜節(jié)律實際上接近24小時，——準確地說是24.18小時。科學(xué)家研究了24位男女，其中11人20多歲，13人60多歲。他們讓這些人在沒有任何時間線索的環(huán)境中生活了3周多，只是人為設(shè)定了28小時的不明顯的明暗周期并給受試者睡覺信號。
他們測定了受試者的體核溫度（通常在夜間下降）、褪黑激素在血液中的濃度以及一種稱為皮質(zhì)醇的應(yīng)激激素在血液中的濃度（在晚間下降）。研究人員發(fā)現(xiàn)，就是把受試者的白晝時間非正常地延長4個小時，他們的體溫、褪黑激素和皮質(zhì)醇的水平依舊按照自身的內(nèi)部24小時節(jié)律時鐘發(fā)生作用。更為重要的是，年齡似乎對時鐘的活動沒有影響：這不同于以前的研究，先前的研究指出衰老擾亂了晝夜節(jié)律，而在哈佛大學(xué)研究中，較老受試者的體溫和激素含量變動都和年輕組的情形一樣正常。
就像上述隔離研究所富有的啟示性那樣，為了研究決定生物鐘的基因，科學(xué)家不得不轉(zhuǎn)向果蠅。果蠅生命周期短，個體小，研究人員能在實驗中培育和雜交數(shù)千果蠅，直到出現(xiàn)滿意的變異為止，因而它們是基因研究的理想材料。為加快變異過程，科學(xué)家通常讓果蠅接觸被稱為誘變劑的突變誘導(dǎo)化學(xué)物質(zhì)。
20世紀70年代初期，加州理工學(xué)院Ron Konopka和Seymour Benzer識別出了揭示果蠅改變晝夜節(jié)律的第一批突變。這些研究人員喂幾只果蠅吃了誘變劑，然后觀察2000個后代果蠅的活動，從部分意義上說，這采用了我們現(xiàn)在用于“紐約一舊金山”實驗的同一種裝置。結(jié)果，大多數(shù)果蠅都表現(xiàn)出正常的24小時晝夜節(jié)律：一天中，果蠅活動12小時左右，另外12小時休息。但有3只果蠅發(fā)生了突變，打破了上述模式。其中一只的節(jié)律周期是19小時，另一只的周期是28小時，而第三只則似乎沒有任何晝夜節(jié)律周期，好像是隨機地休息與活動。
果蠅的定時活動
1986年，我在洛克菲勒大學(xué)的研究小組與由布蘭迪斯大學(xué)的Jefrey Hall、布蘭迪斯霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Michael Rosbash團隊一同發(fā)現(xiàn)，3只突變果蠅在被稱為Period（或Per）的單個基因上具有3種不同的變異，而這些變異都被我們兩個小組于2年前獨立分離出來了。由于同一基的不同變異導(dǎo)致了3種不同的行為，因此，我們得出結(jié)論，Per基因在某種程度上積極參與了果蠅晝夜節(jié)律的形成和節(jié)律幅度的確定。
分離出per基因后，我們開始提出這種基因在控制晝夜周期方面是否單獨起作用的問題。為了尋找答案，我實驗室的兩位博士后Amita Sehgal和Jeffrey Price篩選了7000多只果蠅，看是否能識別出其他的節(jié)律變異。他們最后發(fā)現(xiàn)，1只像具有Per基因變異果蠅的果蠅，沒有明顯的晝夜節(jié)律。結(jié)果證明，新突變發(fā)生在染色體2上，然而per基因被復(fù)制到了X染色體上。我們知道這必定是一種新基因，我們將其命名為timeless或tim基因。
那么新基因和per基因具有怎樣的關(guān)系呢?基因是由DNA組成的，而DNA則含有制造蛋白質(zhì)的指令。DNA從不離開細胞核，它的分子配方以信使RNA的形式讀出，而信使RNA離開細胞核進入細胞質(zhì)，蛋白質(zhì)就在此形成。我們利用tim基因和Per基因在實驗室里制造TIM蛋白和PER蛋白。在和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Charles Weitz的合作f1I，我們發(fā)現(xiàn)，當混合兩種蛋白質(zhì)的時候，它們就相互結(jié)合到一起，這表明它們可能任細胞內(nèi)相瓦作用。
在一系列實驗中，我們發(fā)現(xiàn)PER蛋白和TIM蛋白的生產(chǎn)形成了一個鐘樣的反饋環(huán)。在per基因和tim基因的蛋白質(zhì)濃度變得足夠高從而使二者相互結(jié)合之前，per基因和tim基因都是有活性的。當兩種蛋白質(zhì)結(jié)合在一起時，它們就形成進入細胞核的復(fù)合體，關(guān)閉制造蛋白質(zhì)的基因。幾小時之后，酶降解蛋白質(zhì)復(fù)合體，基因重新打開，循環(huán)又一次開始。
移動生物鐘的指針
當我們發(fā)現(xiàn)兩種基因協(xié)同作用形成生物鐘的時候，我們立刻開始想知道怎樣重新啟動生物鐘。畢竟，我們的睡一醒周期完全適應(yīng)跨越任何小時區(qū)的旅行，盡管調(diào)整時差可能要花兩天或兩周時間。
這就是我們開始在“紐約”恒溫箱和“舊金山”恒溫箱之間把果蠅裝置盤穿梭搬動時的想法。我們和其他研究人員看到的第一批結(jié)果之一就是，不論何時將果蠅從黑暗的恒溫箱搬到光芒耀眼（模擬日光）的恒溫箱，果蠅腦中的TIM蛋白質(zhì)都會在幾分鐘內(nèi)消失。
更有趣的是，我們注意到，果蠅“旅行”的方向影響著TIM蛋白質(zhì)的水平。如果我們在“紐約”時間下午8點（已是黑夜）將果蠅從“紐約”移至“舊金山”，此時“舊金山”時間是下午5點，依然陽光普照，果蠅的TIM水平急劇下降。但是1小時后，當“舊金山”的陽光消逝的時候，TIM開始重新積累起來。顯而易見，起初，果蠅的分子鐘因轉(zhuǎn)移而停息下來，但停留一陣時間之后，它們又以新時區(qū)的方式重新滴答滴答地走起來了。
與此對照，果蠅下“舊金山”時間上午4點移到“紐約”時，“紐約”時間就是上午7點了，它們其間經(jīng)歷了一段太陽初升的時光。這次旅行也導(dǎo)致TIM水平下降，但這一次蛋白質(zhì)不再重新形成，因為分子鐘因時區(qū)轉(zhuǎn)換而提前了。
通過考察tim RNA產(chǎn)生的時間性，我們更多地了解到了隱藏在不同分子反應(yīng)后面的機制。大約在當?shù)貢r間晚上8點，tim RNA的含量最高，上午6點至8點之間最低。果蠅在晚上8點從“紐約”飛到“舊金山”時產(chǎn)生最高水平的tim RNA含量，因而在“舊金山”接觸光線而造成的蛋白質(zhì)損失在“紐約”太陽落山之后極易得到彌補。如果果蠅凌晨4點從“舊金山”飛到“紐約”，那么它在出發(fā)前產(chǎn)生很少的tim RNA。而經(jīng)歷太陽初升的果蠅則消除了TIM蛋白，而使下一個形成周期開始得更早。
并非只有果蠅才如此
業(yè)已證明，對果蠅進行時滯處理對理解包括人類在內(nèi)的哺乳動物的晝夜節(jié)律具有直接的意義。1997年，東京大學(xué)Hajime Tei和神戶大學(xué)Hitoshi Okamura領(lǐng)導(dǎo)的研究人員以及貝勒醫(yī)學(xué)院Cheng Chi Lee獨立地在老鼠和人中分離出了相當于果蠅per基因的東西。1998年許多實驗室參與的另一項研究發(fā)現(xiàn)了老鼠和人類tim基因，這些基因在上交叉核中活動。
對老鼠進行的研究還有助于回答以下的關(guān)鍵問題：什么因子首先觸發(fā)per基因和tim基因的活動?1997年西北大學(xué)霍華德休斯醫(yī)學(xué)院Joseph Takahashi及其同事分離出了他們稱之為Clock的基因，當老鼠的這種基因發(fā)生變異時，就沒有任何清楚的晝夜節(jié)律了。該基因編碼一種轉(zhuǎn)錄因子，也就是一種蛋白質(zhì)，在這種情形下，該蛋白質(zhì)結(jié)合到DNA上并使DNA以信使RNA的形式讀出。
老鼠Clock基因分離出來之后不久，幾個研究小組就開始將per，tim和Clock三種基因的融合體引入哺乳動物和果蠅細胞之中。這些實驗表明，Clock蛋白的靶子是老鼠的per基因以及果蠅的per和tim兩種基因。這種機制具有完整的周期：對其分子鐘了解得最透徹的果蠅而言，Clock蛋白同一種由稱為cycle的基因編碼的蛋白質(zhì)一起結(jié)合到tim和per兩種基因上并使其產(chǎn)生活性，但只有在細胞核中沒有任何PER和TIM這兩種蛋白質(zhì)時才如此。這四種基因及其蛋白質(zhì)構(gòu)成了果蠅生物鐘的核心，并且經(jīng)過某些，改進，它們似乎就形成了控制整個動物界一從魚類到青蛙，從老鼠到人類～晝夜節(jié)律的機制。
隨后，哈佛大學(xué)Steve Repper小組及我實驗室的Justin Blau開始探索聯(lián)系老鼠和果蠅生物鐘同各種行為、激素變動其他功能之定時性的特殊信號。某砦輸出基因似乎被與CLOCK蛋白的直接相互作用所連通。與此同時，當PER和TIM兩種蛋白產(chǎn)生中心反饋環(huán)的變動——從而形成周期性基因活動的擴展類型時，它們就阻礙Clock蛋白接通輸出基因。
激動人心的前景是恢復(fù)諸如果蠅和老鼠等生物的整個時鐘調(diào)節(jié)基因系統(tǒng)。先前沒有得到描述的具有迷人效應(yīng)的基因產(chǎn)物可能在這些網(wǎng)絡(luò)中被發(fā)現(xiàn)。這些基因之一或者說分子鐘的一個組成部分本身將成為緩和時滯、輪班副作用、以及睡眠失調(diào)及相關(guān)抑郁疾病之藥物的標靶。總有一天，適應(yīng)從紐約到舊金山的旅行會變得更容易。
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