陈根:生物钟,由什么来驱动?

文/陈根

大多数生物都拥有一种特殊的内部时钟,通过这样自律的时间调节生命活动,这就是所谓的昼夜节律(Circadian rhythm),即机体适应外界环境中光-暗循环变化而建立的一种24 小时制的内源性节律。

昼夜节律大约以24小时为一个周期,控制机体一系列生物过程,包括激素分泌、代谢循环和免疫保护,同时诱导着我们充满节奏的自然行为,如睡眠/唤醒周期、吃饭等。基于此,昼夜节律也与人体健康息息相关,昼夜节律紊乱与脂肪肝、心脏病、2型糖尿病和慢性胃肠炎等疾病的发展有关,它通过多器官串扰(肠-肝-脑轴等)影响身体的代谢和炎症反应。

其中,下丘脑视交叉上核(SCN)是哺乳动物脑内的昼夜节律起搏器,通常分为腹外侧部分(核心区)和背内侧部分(壳区)。核心区作为外部信息输入的整合者,通过视网膜下丘脑束,接收来自光敏感视网膜神经节细胞(ipRGCs)的信息,传递至下游核团并设置相应的SCN神经元振荡相位。

不过,一直以来,科学家都不能确定是什么驱动了昼夜节律的发生,基于此,在近期的一项研究中,来自日本冈崎的自然科学研究机构分子科学研究所的科学家分析了蓝藻的复杂生理机制,试图揭开是什么驱动了蓝藻的生物钟。

研究团队将研究重点转向调节蓝藻昼夜节律的生物时钟蛋白KaiC。蓝藻其实是一类能通过产氧光合作用获取能量的革兰氏阴性菌,又称蓝细菌,在几乎所有类型的水体中都能存活,在土壤和岩石等环境中也有发现。

此前的研究已经证实,昼夜节律已经被“编码”进了KaiC蛋白。就其组成部分的数量而言,蓝藻的生物钟是最简单的生物钟,但仍然是一个非常复杂的系统,可以为科学家提供所有生物钟工作机制的线索。在新研究中,科学家检查了蓝藻KaiC蛋白变构的结构基础后发现,蓝藻的生物钟便是由变构作用所驱动的。  

具体来看,研究团队通过筛选数千种结晶条件,研究了KaiC时钟蛋白的原子结构。对原子结构的详细研究使他们能够掌握整个磷酸化循环,即磷酸盐被转移到蛋白质上的过程。与磷酸化循环共同发挥作用的是另一个反应循环——ATP(三磷酸腺苷)水解,后者是决定生物时钟速率的能量消耗事件。

为了理解Ka iC蛋白变构的基础,研究人员在8种不同状态下使KaiC蛋白结晶,从而观察到磷酸化循环和ATP水解循环之间的“合作”——就像两个齿轮一样。通过研究8种不同状态下的KaiC蛋白,该团队观察到了磷循环和ATP酶水解循环中发生的耦合现象。这两个循环的耦合驱动了蓝藻的生物钟。

正如研究人员所期望的那样,这项研究有望帮助研究人员更好地理解昼夜节律时钟周期的工作机制。展望未来,研究团队认为他们的发现可以有更广泛的应用。

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