生物钟是什么意思？人体的生物钟是什么( 六 )

生物钟是一个生物适应环境的古老的机制，从原理上讲，地球上所有的生物都生活在同一个周期为24小时的日光变化的环境中，并且每种生物都是从单细胞演化而来，因此每个生物体的每个细胞都可能有一个生物钟。事实似乎也证明正是如此。果蝇和鼠的生物钟被发现存在于多种组织中，小鼠在体外生长了30年的成纤维细胞株中的生物钟基因的表达仍然呈现周期为24小时的节律性变化。从古老的单细胞生物如蓝藻，到复杂动物如人，在各种不同生物的不同细胞中，都有生物钟的存在。不同细胞中的生物钟各自分管着不同的节律性功能，而复杂动物大脑中的生物钟，起到了协同整合和介导光的调控的作用。在人等哺乳动物中，下丘脑的视交叉上核就是这样一个协调周围组织
“子钟”的“主钟” 。大脑是人体的司令部，大脑中的生物钟也是人体的司令钟。
生物钟的分子机理
对生物钟的分子机理研究最早是在果蝇中展开的，动物中最早被阐明机理的生物振荡器是果蝇的日节律的生物振荡器，最早研究果蝇生物钟行为的科学家是美国加州理工学院的生物学家本哲( )教授。他和他的学生克洛普克( )在20世纪70年代首先运用遗传学的方法，用化合物诱导了果蝇DNA的突变，然后从发生了基因突变的子代果蝇中筛选到了生物钟行为发生了改变的果蝇突变种。这些变种果蝇有的是完全失去了日节律的变种，它们的活动在恒定无光的环境里变得毫无规律，叫“无周期突变”;有的虽然仍然保持规律性的运动，但它们的日节律周期变得长短不一，有的比24小时长，叫“长周期突变”;有的比24小时短，叫“短周期突变” 。而且，这些突变的性状是能够遗传的。这些遗传学实验揭示了生物钟基因的存在，首次向科学界证明果蝇的生物钟行为是基因调控的。本哲和克洛普克将他们发现的生物钟基因命名为“周期基因”(/PER)，并在果蝇的基因染色体上确定了PER基因的位置。这是世界上第一个被发现的生物钟基因。
最终证明和明确基因是生物钟行为的决定因素是生物钟基因的克隆。在美国布兰达斯大学( )的分子生物学教授罗斯巴什( )和遗传学教授霍耳(Jeff Hall)是一对篮球场上的好战友，球场让他俩经常有机会在一起讨论一些科学上的新发现。当本哲和克洛普克发表了他们关于果蝇生物钟突变种的时候，罗斯巴什和霍耳注意到了这一发现的重大意义，于是他们俩就决定合作来克隆这个果蝇的生物钟基因。经过了2年多的努力，罗斯巴什和霍耳的实验室终于在1984年从果蝇中克隆到了第一个生物钟基因:/PER基因。继PER基因之后，另外几个生物钟元件基因TIM、CLK、CYC、VRI和PDP1等也相继被克隆。10年后，当时在美国西北大学
( )的高桥( )教授又在1994年发现了小鼠的生物钟基因CLK(CLOCK)，并在 1997年克隆了CLK基因，他成为发现哺乳动物生物钟基因的第一人。从此，生物钟的研究发生了根本的改变，从对现象的描述和对机理的猜测，进入在细胞和分子的水平上解析生物钟的元件和阐明机理的研究。
经过30年的研究，科学家现在对动物中以24小时为周期的生物钟的构成和机理已经有了基本了解。动物生物钟的循环基本上是一个基因表达的负反馈环路，是一个基因表达的振荡器和过程。在这个过程中有两个调控基因转录的异二聚体蛋白起了关键作用:一个是直接作用于DNA促进转录的转录因子CLK和CYC的二聚体CLK—CYC，另一个是抑制 CLK—CYC转录功能的PER和TIM的二聚体PER—TIM 。CLK—CYC的功能是促进一系列包括PER—TIM在内的和生物钟行为相关的基因的表达。这些基因的启动子部位都有一段称为E盒元件的DNA序列，CLK—CYC作用于E盒序列促进这些基因的表达。表达后的PER和TIM蛋白先在细胞质中逐渐累积，到了晚上当两种蛋白累积达到一定的量后又被转运到细胞核中转而抑制CLK—CYC的转录活性，从而抑制它们自己以及所有CLK—CYC下游基因的表达，减少被表达的量。而在细胞质中的PER蛋白被逐渐水解，从而构成了一个以24小时为周期的负反馈基因转录和翻译的振荡(图 2) 。