哺乳动物昼夜节律的调控及其分子机制*

肖义军 钟磊发

（福建师范大学生命科学学院 福建福州 350108）

自然界的生命活动有着各种各样的节律，各种节律中最普遍的是昼夜节律，不仅睡眠有昼夜节律，很多其他行为和生理活动也都有昼夜节律。研究发现，昼夜节律本质上是内源性的，由生物自身因素控制，并可对环境（例如光、温度、进食时间等）变化作出适应性调整，环境变化可造成昼夜节律的暂时混乱，从而影响生物体的生理活动。从单细胞蓝绿藻到多细胞的人，各种生物的生命活动大多有昼夜节律，并且遵循相似的分子调控机制。自1971年在果蝇中发现第1 个控制昼夜节律的基因以来，昼夜节律的内在调控机制已逐渐明朗。美国布南迪斯大学的迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）和杰弗里·霍尔（Jeffrey C. Hall）及洛克菲勒大学的迈克尔·杨（Michael W. Young）因在昼夜节律分子机制研究上取得的成绩，获得了2017年的诺贝尔生理学或医学奖。昼夜节律的调控机制在进化上很保守，哺乳动物遵循着与果蝇类似的调控机制。本文综述哺乳动物昼夜节律调控及其分子机制的研究进展。

1 哺乳动物昼夜节律调控的分子机制

寻找昼夜节律调控基因的工作早期主要是在果蝇中完成的。第1 个被发现的昼夜节律生物钟基因是果蝇的per基因。Ronald Konopka 和Seymour Benzer［1］采用果蝇的羽化和昼夜活动规律变化为指标，筛选到3 种昼夜活动节律异常的突变果蝇品系： 一种没有节律，一种节律周期变短到19 h，一种节律变长到28 h。3 种突变是同一基因的不同突变引起的，他们将该基因命名为period（简写per），无节律的为per0（per zero）、节律短的为pers（per short）、节律长的为perl（per long）。以后进一步的研究发现per基因编码的PER 蛋白是一种转录调控因子。

在以后的研究中陆续又发现其他调控果蝇昼夜节律的生物钟基因有andante、jrk、tim、cry、cyc、dbl等。其中jrk基因产物可调节per基因的表达，同时也受PER 蛋白的调控。tim基因编码的蛋白受光的调节，通过与PER 蛋白的结合影响cry基因的产物CRY 蛋白进出细胞核。CRY 蛋白通过调节per基因和tim基因的表达介导环境中光对身体内在生物钟运转的影响［2］。

果蝇中发现的这些调控昼夜节律的生物钟基因在哺乳动物基因组中大多有对应物。调节哺乳动物生物钟的第1 个基因tau在1988年被发现，2000年被成功克隆，它的基因产物是一种蛋白激酶CK1ε。第2 个被发现的哺乳动物生物钟基因是时钟蛋白基因clock，其基因产物CLK 蛋白是一种转录调控因子，与果蝇的jrk基因是同源基因。果蝇中最早发现的per基因也于1997年在小鼠和人中找到同源基因，哺乳动物中的per基因有3个：per1、per2和per3，它们的表达产物有昼夜节律变化，并且受clock基因的调控。在哺乳动物中发现的其他昼夜节律生物钟基因还有隐花色素基因cry1、cry2，脑部与肌肉芳香烃受体核转位蛋白基因Bmal1和孤儿核受体基因Rev-ErBα等［3］。

生物钟基因调控昼夜节律的基本模式在各种生物中基本相似：即转录—翻译—抑制转录的负反馈模式，生物钟基因节律性转录表达的生物钟蛋白作为调节元件促进其他相关基因表达，再通过负反馈作用抑制自身的转录。目前研究发现，哺乳动物昼夜节律调控机制中主要有2 个反馈环路［4］，第1 个环路中由clock和Bmal1基因翻译的蛋白mCLK 和BMAL1 先在细胞质中形成一个异二聚体，然后转运入核，在细胞核中结合到cry和per基因的启动子上，激活它们的转录，mCLK 和BMAL1 蛋白形成的异二聚体是生物钟相关基因转录的起始动力。cry和per基因启动后翻译出CRY 和PER 蛋白，随着转录翻译的进行，蓄积在细胞质中的CRY 和PER 蛋白逐渐增多，它们通过磷酸化作用被激活后相互作用形成异二聚体，转运入核，借助PER 蛋白的PAS 结构域结合到CLK/BMAL1 二聚体上，降低CLK/BMAL1 二聚体的转录激活作用，达到抑制自身转录的结果。无论是细胞质还是细胞核中已被磷酸化的PER 蛋白在被CK1ε 激酶再次磷酸化后都会被降解。第2个环路，二聚体CLK/BMAL1 激活孤儿核受体基因Rev-ErBα的转录，其翻译产物REV-ERBα 蛋白则通过结合到Bmal1基因的启动子上抑制Bmal1基因的转录。因此，在节律调控时，当mPERl 和mPER2 转运到细胞核内与mCRY1 和mCRY2 形成稳定的负调控聚合物后，可以直接抑制CLK/BMAL1 二聚体促进的转录活性，在抑制mPER1和mPER2 表达的同时，也会抑制Rev-ErBα基因的转录，使得Bmal1基因的转录抑制被解除，随即BMAL1 蛋白表达量增加，进入到下一个节律振荡循环。

2 哺乳动物昼夜节律的同步机制

多细胞生物的每一个细胞自身生命活动均存在昼夜节律，但机体需要根据环境的变化调整其生物钟的相位，而体内的很多细胞无法直接感受环境（例如光、温度等环境因子）的变化，因此多细胞生物通过体内存在的一个通讯系统同步体内各组织器官细胞的昼夜节律。对包括人在内的哺乳动物来说，下丘脑视交叉上核、肾上腺、各组织器官甚至肠道菌群都参与了体内昼夜节律的同步化。

下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）是哺乳动物昼夜节律的控制中心，它的损伤会导致机体昼夜节律异常［5］。在昼夜完全黑暗的环境下，人体或小鼠能维持1 周左右相对正常的节律，但相同条件下SCN 损伤的小鼠昼夜节律很快混乱。SCN 接收的环境信号包括光信号和非光信号，光信号由视网膜光敏感神经节细胞接收后传至SCN，非光信号来自处理感觉信息的膝状神经核间小叶，脑干的延髓缝中核也参与SCN 对生物钟的调节。SCN 本身不同区域的功能也不同，例如其腹外侧主要负责接收光信号，其细胞基因的表达受光的调控，背侧主要输出昼夜交替的节律信号给外围的器官与组织。SCN 的神经元末梢大量分布到下丘脑和外围组织器官中，不仅能控制神经内分泌系统的活性和激素的分泌，也能控制外围组织对这些激素的敏感性。SCN 同步全身昼夜节律主要通过分泌神经递质和激素传递信号，神经递质主要有氨基丁酸、 血管活性小肠肽和后叶加压素，激素主要有转化生长因子、生长抑素和前动力蛋白（prokineticin 2，PK2）等。

肾上腺也是一个很重要的昼夜节律调控器官［6］，其活动受视交叉上核控制，同时也具有自身的节律。有研究表明，当动物生活在正常的明暗交替条件下，视交叉上核的损伤对其昼夜节律的影响并不显著，因为肾上腺节律分泌的肾上腺皮质素能够起到同步机体其他组织器官生物钟的作用。正常情况下，肾上腺皮质素的分泌高峰在日出之前，主要起激发心血管系统和能量代谢的作用，为机体运动、捕食提供能量。肾上腺皮质素通过其靶细胞上的受体调控外围组织器官细胞中生物钟基因的表达，实现对外围组织器官生物钟节律的同步化调控。

外围组织器官昼夜节律主要受视交叉上核和肾上腺调控，但动物的行为习惯也为其生物钟提供时间信息，参与到机体生物钟的同步机制中。例如，相关代谢组织能够通过糖皮质激素、胰岛素、瘦素、胃饥饿素等的协同作用，使得血液中的葡萄糖浓度呈现24 h 间有节律地波动，血液中葡萄糖浓度的节律波动就被当做一种信号协助相关组织器官的生物钟系统同步［7］。当相对固定的进食时间被改变后，机体的血糖节律会被打破，外围组织提供的时间信息与视交叉上核提供的时间信息发生冲突，机体的生物钟会暂时发生混乱。但机体能够在随后通过调整对食物的应答重置生物钟。人体多数外围组织器官的节律能够在进食时间改变后的1 周内与当下的进食时间完全同步。外围组织器官参与生物钟同步，主要通过自身的代谢节律调控营养因子和激素的分泌。肠道菌群现在被看作是人体的另一种器官，有研究发现，肠道菌群可以分泌某些成分影响小肠上皮细胞生物钟基因的表达，调节其生物钟［8］。

认识生命活动的昼夜节律调控机制，不仅是一个有趣的科学问题，可以使人们对生命现象有更深的理解，还可以解决很多现实问题，例如通过了解时差形成的原因进而发明相关药物，通过对身体活动节律的了解可以找到更适合的给药时间等。人类的很多疾病也与昼夜节律的混乱相关，已有不少的研究发现，生物钟混乱与肥胖、高血压、肿瘤的发生密切相关［9］，通过对人体昼夜节律机制的研究，有助于了解相关疾病的发病机制从而达到更好的预防与治疗效果。