他們發(fā)現(xiàn)了地球生命節(jié)律的分子機(jī)制，解釋了生命包括人類的內(nèi)部“生物鐘”究竟如何工作，以預(yù)測(cè)和適應(yīng)正常的生物節(jié)奏，使之與地球律動(dòng)（每24小時(shí)一個(gè)周期的晝夜節(jié)律）保持同步。

今年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者使用果蠅作為示范生物，分離出一個(gè)控制日常生物節(jié)律的基因。他們的研究表明，該基因編碼一種在夜間集聚在細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，然后在白天降解。隨后，他們發(fā)現(xiàn)了這種機(jī)制的其他蛋白質(zhì)組分，揭示了細(xì)胞內(nèi)自我保持的生物鐘的控制機(jī)制。我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到，生物鐘在包括人類在內(nèi)的多細(xì)胞生物中，以相同的機(jī)制起作用。

內(nèi)在生物鐘的精巧，使我們的節(jié)律適應(yīng)不同的階段。生物鐘調(diào)節(jié)著關(guān)鍵的喂養(yǎng)行為、激素水平、睡眠、體溫和新陳代謝等功能。當(dāng)我們的外部環(huán)境與內(nèi)部生物鐘之間存在暫時(shí)的不匹配時(shí)，比如當(dāng)我們穿越幾個(gè)時(shí)區(qū)遇到“時(shí)差”時(shí)就會(huì)發(fā)生“狀況”。還有跡象表明，我們的生活方式與體內(nèi)生物鐘所規(guī)定的節(jié)奏之間的偏差，與多種慢性疾病的風(fēng)險(xiǎn)提高有關(guān)。

含羞草植物的內(nèi)部生物鐘

大多數(shù)生物體能夠預(yù)見(jiàn)并適應(yīng)日常環(huán)境的變化。

18世紀(jì)，天文學(xué)家讓·雅克·德奧圖斯·德馬蘭（Jean Jacques d'Ortous de Mairan）研究了含羞草，發(fā)現(xiàn)在白天，葉子向太陽(yáng)開(kāi)放，黃昏時(shí)則關(guān)閉。他想知道，如果植物處于不斷的黑暗中會(huì)發(fā)生什么。他發(fā)現(xiàn)在僅在日常陽(yáng)光下，葉子繼續(xù)遵循了正常的日常振蕩。植物似乎有自己的生物鐘。

其他研究人員發(fā)現(xiàn)，不僅植物，動(dòng)物和人類也都有生物鐘。這種經(jīng)常性的適應(yīng)能力被稱為“晝夜節(jié)律”。然而，我們內(nèi)部生物鐘如何工作仍然是一個(gè)謎。

“周期基因”反饋調(diào)控簡(jiǎn)化說(shuō)明。當(dāng)“周期基因”活躍時(shí)，生成周期mRNA，將mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中，并作為產(chǎn)生PER蛋白的模板。PER蛋白聚集在細(xì)胞核中，其基因活性被阻斷。這引起了晝夜節(jié)律基礎(chǔ)的抑制反饋機(jī)制。

20世紀(jì)70年代，科研人員開(kāi)始考慮，是否有可能確定果蠅晝夜節(jié)律的基因？

賽摩爾·本澤爾（Seymour Benzer）和他的學(xué)生證明了未知基因中的突變，能擾亂蒼蠅的晝夜節(jié)律時(shí)鐘，并將之命名為“周期基因”，但這種基因究竟如何影響了晝夜節(jié)律？

今年的諾獎(jiǎng)得主通過(guò)果蠅了解了這種“周期基因”的實(shí)際運(yùn)作。1984年，布蘭迪斯大學(xué)的杰弗里·霍爾和邁爾克·羅斯巴什，與洛克菲勒大學(xué)的邁克爾·楊密切合作，成功地分離出了“周期基因”。前兩人接著發(fā)現(xiàn)了晚上被編碼的PER蛋白質(zhì)在白天會(huì)被降解。因此，與晝夜節(jié)律同步的PER蛋白水平在24小時(shí)周期內(nèi)出現(xiàn)震蕩。

晝夜節(jié)律鐘分子成分的簡(jiǎn)化說(shuō)明

下一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是了解如何產(chǎn)生和維持了晝夜節(jié)律的震蕩。

杰弗里·霍爾和邁爾克·羅斯巴什假設(shè)PER蛋白阻斷了“周期基因”的活性，并認(rèn)為通過(guò)抑制反饋回路，PER蛋白可以阻止其自身的合成，從而已連續(xù)的循環(huán)節(jié)律調(diào)節(jié)自身的蛋白水平。

這個(gè)模型是誘人的，但幾塊“拼圖”失蹤了。為了阻止“周期基因”的活性，細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生的PER蛋白必須到達(dá)遺傳物質(zhì)所在的細(xì)胞核。二人工作已經(jīng)表明，PER蛋白在晚上建立在細(xì)胞核中，但到底怎么到達(dá)的仍不得而知。

1994年，邁克爾·楊發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)“周期基因”，它編碼正常晝夜節(jié)律所需的TIM蛋白。他的工作表明，當(dāng)TIM結(jié)合PER時(shí)，兩種蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核，在那里阻斷“周期基因”的活動(dòng)以封閉抑制反饋環(huán)。

這種抑制反饋機(jī)制解釋了細(xì)胞蛋白水平如何出現(xiàn)震蕩，但是問(wèn)題依然存在。

是什么在控制震蕩的頻率？邁克爾·楊又確認(rèn)了另一個(gè)基因，可以雙倍編碼DBT蛋白，延緩了PER蛋白的積累。這就提供了對(duì)調(diào)整震蕩頻率以匹配24小時(shí)周期的理解方向。

獲獎(jiǎng)?wù)叩姆妒睫D(zhuǎn)變重大發(fā)現(xiàn)為生物鐘建立了重要的機(jī)制，接下來(lái)的幾年中，科學(xué)家闡明了機(jī)制的其他分子成分，解釋了其穩(wěn)定性和功能。例如，今年的獲獎(jiǎng)?wù)叽_定了激活“周期基因”所需的其他蛋白質(zhì)，以及光可以與生物鐘同步的機(jī)制。

晝夜節(jié)律鐘。有利于調(diào)節(jié)睡眠模式、喂養(yǎng)行為、激素釋放、血壓和體溫等。

生物鐘涉及復(fù)雜的生理學(xué)。我們現(xiàn)在知道，包括人類在內(nèi)的所有細(xì)胞生物體，都是用類似的機(jī)制來(lái)控制晝夜節(jié)律。我們大部分基因也都收到生物鐘的調(diào)節(jié)。因此，精心校準(zhǔn)的晝夜節(jié)律將我們的生理調(diào)整到一天的不同階段。

由于三維獲獎(jiǎng)?wù)叩膭?chuàng)新發(fā)現(xiàn)，晝夜節(jié)律生物學(xué)發(fā)展成為一個(gè)龐大而高度活躍的研究領(lǐng)域，對(duì)我們的健康和生命有著重大影響。