Nature頭條：同步的時(shí)鐘

日期：2012-05-18 08:13:38

研究人員鑒別出了跨越生命所有三個(gè)領(lǐng)域的首個(gè)保守的生物鐘元件。

許多的生物體呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律——調(diào)控每日新陳代謝、生理學(xué)和行為改變的內(nèi)部生物鐘。但是從真菌、果蠅到人類，在物種間還沒有發(fā)現(xiàn)有共同的生物鐘基因或蛋白。在新研究中，研究人員首次鑒別出了在細(xì)菌、古細(xì)菌（archaea）和真核生物（eukaryotes）的晝夜節(jié)律中活躍的一個(gè)代謝蛋白。

這一研究發(fā)現(xiàn)發(fā)布在5月16日的《自然》（Nature）雜志上，表明與此前的觀點(diǎn)相反，晝夜時(shí)鐘可能享有一個(gè)共同的祖先。此外，由于這一清除活性氧的代謝蛋白發(fā)生了周期性的改變，作者們認(rèn)為在25億年前對于大氣中氧聚集的傳感和反應(yīng)有可能驅(qū)動了晝夜節(jié)律的進(jìn)化。

“最厲害的是它表明不知何故所有這些生物體都具有從前不明顯的代謝晝夜節(jié)律，”俄勒岡州立大學(xué)生物學(xué)家P. Andrew Karplus（沒有參與這一研究）說。不過，他指出盡管鑒別的蛋白是代謝晝夜節(jié)律的一個(gè)有力標(biāo)志物，但是沒有證據(jù)表明它是這種節(jié)律的原因。最大的問題是這一節(jié)律的起源是什么？它是如何發(fā)生的？

在過去的20年里，研究人員主要通過研究果蠅確確定了大量的基因和蛋白質(zhì)提供給共同模式：一個(gè)轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路，憑借它基因被轉(zhuǎn)錄然后翻譯為蛋白質(zhì)，然后累積直至它們達(dá)到能夠觸發(fā)轉(zhuǎn)錄關(guān)閉的閾值，所有都發(fā)生在大約24小時(shí)的周期內(nèi)。這一模型已經(jīng)成為了晝夜節(jié)律研究的基礎(chǔ)。

然而在去年，英國劍橋大學(xué)的Akhilesh Reddy和同事們證實(shí)這一晝夜生物鐘機(jī)器至少有一個(gè)組件與轉(zhuǎn)錄無關(guān)——一個(gè)稱為過氧化物酶（peroxiredoxin）蛋白的抗氧化劑家族，它可以在與代謝相關(guān)的24小時(shí)氧化-還原循環(huán)中吸納細(xì)胞中過量的過氧化氫。Reddy研究小組發(fā)現(xiàn)這一幾乎存在于每一個(gè)生物體中的蛋白質(zhì)在人類、小鼠和海藻細(xì)胞中均顯示出了晝夜節(jié)律振蕩（circadian oscillation）。

“我們似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些真核生物體具有這些節(jié)律，因此我們決定在細(xì)菌和古細(xì)菌中開展進(jìn)一步研究，”Reddy說。在最近的研究中，他的研究團(tuán)隊(duì)在淡水藍(lán)藻細(xì)長聚球藻（Synechococcus elongatus）和海洋有氧古菌嗜鹽桿菌（Halobacterium salinarum）中檢測了過氧化物酶的氧化節(jié)律。每個(gè)生物體均在48-72小時(shí)內(nèi)維持在恒定的光線和溫度中，在這期間研究人員定期檢測樣品的過氧化物酶氧化與否。果然，在這兩個(gè)物種中，蛋白質(zhì)隨著24小時(shí)周期顯示出強(qiáng)大的氧化振蕩。

研究小組還檢測了從前鑒別的生物鐘機(jī)制與過氧化物酶之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)果蠅和擬南芥中的已知基因突變時(shí)，過氧化物酶周期仍持續(xù)不間斷。這表明兩個(gè)組件——傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄-翻譯回路因子和過氧化物酶——相互獨(dú)立運(yùn)作生成了生物體的晝夜節(jié)律。

由于從前在生命的不同領(lǐng)域沒有鑒別出共同的生物鐘機(jī)制，科學(xué)家們認(rèn)為晝夜節(jié)律是獨(dú)立多次進(jìn)化而來。“但是為何要多次推倒重來？它沒有任何的意義，”Reddy說。Reddy早就懷疑晝夜節(jié)律可能享有一個(gè)共同的分子起源，而事實(shí)上生命的所有三個(gè)領(lǐng)域都享有過氧化物酶周期支持了這一觀點(diǎn)。例如，晝夜節(jié)律有可能是隨著細(xì)胞適應(yīng)早期環(huán)境能源供應(yīng)（陽光）循環(huán)和隨后的氧化應(yīng)激循環(huán)而進(jìn)化的。

目前進(jìn)化的證據(jù)還不能完全令人信服，Karplus說：“過氧化物酶蛋白似乎沒有驅(qū)動任何或是大概與生物鐘蛋白的互作。它們只是碰巧發(fā)生了成為了代謝活動的讀值。”

但是由于新發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶現(xiàn)在可用作一種標(biāo)記物來在其他研究很少的物種中尋找晝夜節(jié)律。“第一次我們發(fā)現(xiàn)了可在所有生物體中觀測晝夜節(jié)律的一個(gè)共同點(diǎn)，”Reddy說。

Reddy補(bǔ)充說研究結(jié)果也可能還有其他更多的實(shí)際應(yīng)用。例如在未來，研究人員或可利用小分子靶向過氧化物酶來破壞致病細(xì)菌的晝夜節(jié)律，或是提高農(nóng)作物的節(jié)律幫助它們更有效率地生長。