2月18日科學家們發(fā)現我們的晝夜節(jié)律如何既強大又靈活

從微小的果蠅到人類，地球上的所有動物都根據它們的內部生物鐘維持它們的日常節(jié)律。生物鐘使生物體能夠根據 24 小時的晝夜周期進行行為和生理的節(jié)律性變化。例如，我們自己的生物鐘告訴我們的大腦在夜間釋放褪黑激素，一種誘導睡眠的激素。

生物鐘的分子機制的發(fā)現被授予 2017 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。據我們所知，沒有一個中心化時鐘對我們的生物鐘負責。相反，它在分層網絡中運行，其中有“主起搏器”和“從屬振蕩器”。

主起搏器接收來自環(huán)境的各種輸入信號，例如光。然后主機驅動從屬振蕩器，調節(jié)各種輸出，如睡眠、進食和新陳代謝。盡管起搏器神經元的作用不同，但眾所周知，它們具有共同的分子機制，這些機制在所有生命形式中都得到了很好的保護。例如，已在果蠅中深入研究了由核心時鐘蛋白組成的多個轉錄-翻譯反饋回路 (TTFL) 的聯鎖系統。

然而，關于我們自己的生物鐘，我們仍然需要了解很多。主時鐘神經元和從時鐘神經元的分層組織性質導致普遍認為它們共享相同的分子時鐘。同時，它們在調節(jié)身體節(jié)律方面所起的不同作用也提出了它們是否可能在不同的分子發(fā)條機制下發(fā)揮作用的問題。

(左)生物鐘作為一個網絡運行，其中主起搏器和從屬振蕩器以分層方式組織。盡管它們通過 PER 蛋白的相同轉錄-翻譯反饋回路 (TTFL) 產生節(jié)律，但它們之間生成的 PER 節(jié)律是不同的。(右)通過使用描述果蠅生物鐘(上)的 TTFL 的數學模型，我們確定了主時鐘神經元和從時鐘神經元(下)之間的差異。圖片來源：基礎科學研究所

在 Kim Jae Kyoung 和 Kim Eun Young 教授的帶領下，基礎科學研究所 (IBS) 和 Ajou 大學的研究人員結合使用果蠅的數學和實驗方法來回答這個問題。研究小組發(fā)現，主時鐘和從時鐘通過不同的分子機制運行。

在果蠅的主神經元和從屬神經元中，一種稱為 PER 的與晝夜節(jié)律相關的蛋白質會根據一天中的時間以不同的速率產生和降解。此前，該團隊發(fā)現在野生型和 Clk-Δ 突變果蠅中，主時鐘神經元 (sLN v s) 和從時鐘神經元 (DN1 ps) 具有不同的PER譜。這暗示主時鐘神經元和從時鐘神經元之間的分子時鐘系統可能存在潛在差異。

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