第一部分 生物钟的分子和细胞基础
第一章 哺乳动物生物钟的分子组成
伊桑 D.布尔（Ethan D. Buhr）1和约瑟夫 S.高桥（Joseph S. Takahashi）2
1美国华盛顿大学（西雅图）眼科系，2美国霍华德 休斯医学研究所和得克萨斯大学西南医学中心神经科学系
摘要：通过眼睛中的感光受体将光信号传递到位于下丘脑区域的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），哺乳动物体内的生物节律活动主要与环境中的光暗周期同步化。视交叉上核则发出信号把遍布全身各类外周生物钟同步到适当的相位（phase）。能够牵引（entrain）外周生物钟的信号包括激素信号、代谢因子和体温等。在具体的组织器官内，来自体液的系统信号与其本身以转录/翻译为基础的反馈振荡器相结合，使得成千的基因以特异的相位被转录。在生物钟分子模型中，CLOCK和BMAL1蛋白启动了许多基因的转录，而其中一些转录的基因*终以反馈的方式抑制CLOCK和BMAL1的转录活性。*后，还有其他类型的生物钟分子振荡器，它们在已深入研究的所有物种中，均不依靠基于转录的生物钟而发挥作用。
关键词：生物节律 生物钟 分子
1.引言
伴随着日落，夜行的啮齿类动物和鸟类开始觅食，而昼行的鸟类则开始入眠，丝状真菌开始照常地产生孢子，蓝藻在经历了白天的光合作用后也在低氧环境中开始固氮。随着第二天清晨太阳的升起，植物开始舒展它们的叶片去迎接第一缕阳光；而在附近一条交通堵塞的高速公路上，不少“上班族”则坐在车里一动不动。目前知道，上面所提到的这些生物以及所有其他生物，能够在预定的时间内从事相关的活动都是由体内的分子生物钟所支配。地球的自转形成了以24小时为周期的光和温度循环变化的环境。生物钟是被这种24小时循环变化的环境所同步化而不是仅仅被光所驱动的。英文“circadian”有“circa”和“dies”两层意思，其中“circa”的意思为“大约”，“dies”的意思为“一天”。所有的生物节律都具备一个基本特征，即在完全没有外界环境信号的情况下也能够持续存在。生物钟能够在恒定的条件下以大约24小时为周期自由运行（free-run），或者能够被某些周期性的环境因子所同步或“牵引”（entrain），从而使得生物能够预期环境的周期性变化。生物钟的另一个基本特征是能够缓冲不适合的环境信号并在稳定的环境条件下保持持久。在所有分子和行为生物节律中都观察到的温度补偿效应（temperature compensation）充分证明了生物钟的这种鲁棒性（robustness）。温度补偿效应是指在生理允许的温度条件下生物钟的速率几乎是恒定的。温度补偿效应的重要性在冷血动物中尤其明显，因为它们的生物钟需要在很宽的温度范围内保持24小时的节律。综上所述，尽管不同的生物体内生物钟的运行速率略有差异，但分子生物钟强烈的振荡及其对特定环境振荡的独特敏感性，均有助于微调自然界中广泛存在的时间生态位（temporal niches）。
然而，生物钟所调控的体内生物节律远远不限于睡眠-觉醒周期。在人类和大多数哺乳动物中，体温、血压、激素、代谢、视黄醛视网膜电图（retinal electroretinogram，ERG）及许多其他生理参数大都呈现出24小时的节律性（Aschoff 1983；Green et al.2008；Cameron et al.2008；Eckel-Mahan and Storm 2009）。重要的是，这些节律在没有光黑暗周期甚至没有睡眠-觉醒周期的情况下也能够维持。另外，许多人类疾病的发生也表明是生物钟在起作用，而且在许多情况下生物钟紊乱是造成人类疾病和失调的罪魁祸首。这在诸如睡眠相位延迟综合征（delay sleep phase Syndrome，DSPS）和睡眠相位前移综合征（advanced sleep phase syndrome，ASPS）等睡眠障碍中尤其明显。在这些睡眠障碍中，由于体内的生物钟和睡眠需求不一致会导致失眠或嗜睡症（Reid and Zee 2009）。核心生物钟基因PER2的突变和编码PER2磷酸化激酶的CK1δ的突变均可导致家族性睡眠相位前移综合征（FASPS）（Toh et al.2001；Xu et al.2005）。有趣的是，携带有与家族性睡眠相位前移综合征病人同样的PER2单一氨基酸突变的转基因小鼠也能够呈现与人类缩短周期的睡眠类似症状（Xu et al.2007）。尽管这两个基因的突变并不能够完全解析这种睡眠障碍，但是对它们的了解能够有助于洞悉生物钟如何影响人类健康。体内生物钟与外界环境节律的失调也可导致时差反应和轮班工作睡眠障碍等其他健康问题。除了睡眠障碍，生物钟还与进食和细胞代谢直接相关。生物钟和代谢途径之间通讯的失调可能导致许多代谢并发症（Green et al.2008）。例如，胰腺β细胞核心生物钟基因BmalI的功能丧失可能导致低胰岛素综合征和糖尿病（Marcheva et al.2010）。*后，许多健康问题明显地受到生物钟和生物钟控制过程的影响。例如，心肌梗死和哮喘发作表现出强烈的夜间或清晨发病率（Muller et al.1985；Stephenson 2007）。同样，小鼠研究表明对紫外线诱发的皮肤癌和化疗治疗的敏感性昼夜差异很大（Gaddameedhi et al.2011；Gorbacheva et al.2005）。
位于哺乳动物下丘脑的视交叉上核（SCN）是全身的主生物钟（Stephan and Zucker 1972；Moore and Eichler 1972；Slat et al.2013）。然而，视交叉上核应该被准确地描述为“主要同步器”（master synchronizer），而不是严格意义上的“启动器”（pacemaker）。大多数组织和细胞类型在与视交叉上核分离后都能够显示出基因节律表达的特征（Balsalobre et al.1998；Tosini and Menaker 1996；Yamazaki et al.2000；Abe et al.2002；Brown and Azzi 2013）。因此，视交叉上核将身体的各个细胞同步到统一的体内时间，更像是乐团的指挥而不是节律本身的产生器。通过仅仅在眼睛内发现的感光受体，哺乳动物视交叉上核被牵引或同步到外界光周期（Nelson and Zucker 1981）。视交叉上核通过整合神经、体液和全身系统的信号，将相位信息传递到身体和大脑的其他区域，这将在后面章节进行详细讨论。影响视交叉上核相位的光信息、视交叉上核内的分子生物钟以及视交叉上核设置整个身体行为和生理的能力构成了生物钟系统有益于有机体的三个必要组成部分，包括环境输入、一个自我维持的振荡器和输出机制。
2.生物钟的分子机制
2.1 转录反馈环路
哺乳动物生物钟分子机制主要为转录反馈环路，涉及至少10个基因（图1.1）。
基因Clock和Bmal1（Mop3）编码bHLH-PAS（bHLH，碱性螺旋-环-螺旋结构；PAS，Per-Arnt-Single-minded，以首次鉴定结构域的蛋白命名）蛋白形成反馈环路中正向分支（见综述Lowrey and Takahashi 2011）。CLOCK/BMAL1异二聚体绑定到靶基因启动子中特异的DNA原件，E-box（5′-CACGTG-3′）或E′-box（5′-CACGTT-3′）而启动转录，这些被启动的基因包括反馈环路中负向调节分支的Per基因（Per1和Per2）和Cry基因（Cry1和Cry2）（Gekakis et al.1998；Hogenesch et al.1998；Kume et al.1999）。PER和CRY蛋白形成异二聚体抑制CLOCK/BMAL1的转录活性，从而新一轮的循环从低转录活性水平开启（Griffin et al.1999；Sangoram et al.1998；Field et al.2000；Sato et al.2006）。这种循环转录活性所必需的染色质重塑（chromatin remodeling）是通过结合生物钟特异的和普遍存在的组蛋白修饰蛋白来实现的，而且可以在多个生物钟靶基因的组蛋白（H3和H4）节律性的乙酰化（acetylation）/脱乙酰化（deacetylation）中观察到（Etchegaray et al.2003；Ripperger and Schibler 2006；Sahar and Sassone-Corsi 2013）。CLOCK蛋白本身拥有组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）域，并且为拯救Clock突变体成纤维细胞节律所必需（Doi et al.2006）。CLOCK/BMAL1异二聚体还募集了甲基转移酶MLL1用以周期性地甲基化组蛋白H3和HDAC抑制分子JARID1a，以进一步促进激活转录（Katada and Sassone-Corsi 2010；DiTacchio et al.2011）。PER1将SIN3-HDAC（SIN3-组蛋白脱乙酰酶）复合物募集到与CLOCK/BMAL1结合的DNA上而导致脱乙酰化，因此有必要发现生物钟脱乙酰过程中更多的作用因子（Duong et al.2011）。有趣的是，生物钟基因启动子中组蛋白H3的节律性脱乙酰化受到脱乙酰酶SIRT1的调节，该脱乙酰酶对NAD+水平敏感（Nakahata et al.2008；Asher et al.2008）。令人振奋的是，体外的研究表明NAD+/NADH比值能够调节CLOCK/BMAL1结合DNA的能力（Rutter et al.2001）。因此，细胞代谢可能在调节生物钟的转录状态及相位方面起着重要的作用（另见Marcheva et al.2013）。
图1.1 哺乳动物生物钟的分子机制示意图（彩图请扫封底二维码）
CLOCK/BMAL1异二聚体（绿色椭圆和蓝色椭圆）绑定到生物钟靶基因DNA中的E-box和E′-box，启动RNA的转录。翻译后的PER和CRY蛋白（红色椭圆和黄色椭圆）在细胞内异二聚化并转运到细胞核内。在细胞核内，PER/CRY复合体抑制CLOCK/BMAL1蛋白启动进一步的转录
终止抑制并重启新一轮转录循环都需要负向分支蛋白PER和CRY的降解。
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