以高中生物学知识为背景解读2017年诺贝尔生理学或医学奖

吴劲松

(江苏省高淳高级中学 南京 213000)

关键字 生物钟 诺贝尔奖 高中生物学

2017年诺贝尔生理学或医学奖颁发给美国三位科学家Jeffrey C Hall(杰弗理·霍尔)、Michael Rosbash(迈克尔·罗斯巴希)和Michael W Young(迈克尔·杨)，以表彰他们在“发现控制昼夜节律的分子机制”方面的研究。生物钟是生物体内周而复始的节律，如植物的春华秋实、动物的昼行夜伏……常见的近24h昼夜节律是典型的生物钟之一。

1 生物钟的研究

1.1 开启生物钟研究的大门 1971年，Seymour Benzer和Ronald Konopka利用果蝇突变体研究生物钟[1]，他们首先建立检测表型的方法： 用致变剂诱导果蝇的基因发生突变，并检测果蝇活动的变化，发现确实有昼夜规律，但工作量比较大。后来，Konopka用果蝇一生一次的羽化这一特征作为筛选方法，发现筛选到的突变果蝇的运动昼夜节律异常。三种品系的突变果蝇在表型上不相同： 一种没有节律，一种节律周期加快到19h，一种节律变慢到28h。然后将该突变种与已有的其他突变种交配，确立三种突变在染色体图谱的大概位置，结果发现很近。通过进一步把三种突变相互交配，进行顺反检测，根据得到的结果推测三种突变可能是同一个基因的不同突变。于是，把这个基因命名为period(per)。per基因很可能是生物钟的关键基因之一。但是，20世纪70年代重组DNA技术刚发明，由于技术的缺乏很难得到per基因的DNA序列。

1.2 生物钟关键基因的克隆 1984年，Michael Young、Jeffrey Hall与Michael Rosbash三个研究果蝇的团队几乎同时发表论文： 克隆出Per基因附近的基因组DNA[2，3]。这段DNA可以产生4.5kb和0.9kb两种mRNA，并编码相应的蛋白质PER，其水平存在24h的周期性起伏，与昼夜节律相一致。将编码4.5kb mRNA的基因组DNA转入果蝇，可以使per突变种果蝇的昼夜节律恢复正常。进一步发现，改变导入的per基因表达的相位可改变果蝇昼夜节律的相位。之后，Baylies还确定了Konopka实验中per基因在最初三种突变株的DNA变化：per0、pers和perl，分别表示提前终止、两个不同部位的碱基变化[4]。

1.3 反馈调节的生物钟机制 1990年，Michael Rosbash和Jeffrey Hall实验室的博士后Paul Hardin终于在果蝇的头部以每个小时为单位检测得到per的mRNA，发现其含量呈昼夜变化；在pers中，其mRNA昼夜周期也缩短[5]。他们提出简单的模型：per基因转录mRNA、翻译产生PER蛋白的过程存在负反馈，per的mRNA或蛋白质产生后，可以影响per基因自身的转录。之后，实验组制造出PER蛋白的抗体，抗体可以识别PER蛋白以此确定其在细胞内的位置。实验结果表明： PER蛋白既可以存在于细胞核、也可以存在于细胞质[6]。随后，Michael Young实验室的Seghal等人通过筛选7000多个突变种找到影响果蝇生物钟的新基因timeless(Tim)，很快克隆出该基因并猜测TIM蛋白是一种转录因子[7]。1996年，Rosbash实验室发现TIM蛋白影响PER蛋白出入细胞核，TIM与PER两个蛋白质可以形成复合物抑制per基因的转录，且该复合物的存在与消失呈昼夜节律，其原因是光可以调节TIM蛋白的稳定性，从而提供了光对生物钟的调节的分子机理(图1)[8]。

图1 昼夜节律生物钟的分子机理图

1.4 哺乳动物的生物钟基因 1994年，Joseph S Takahashi实验室研究了304只小鼠，他们从突变体(第25只小鼠)发现了影响小鼠生物钟的基因，将其命名为“clock”[8]。正常小鼠生物钟的周期是23.7h，clock杂合的突变鼠昼夜节律为24.8h。变化可谓微妙，需要可靠的检测才能发现。从杂合体检测出微小但可靠的变化后，Joseph实验室通过小鼠交配而获得clock基因突变的纯合体，其表型很强，完全丧失节律[9]。

经过几十年的研究，科学家现在对动物中以24h为周期的生物钟的构成和机理已经有了基本了解。动物生物钟的循环基本上是一个基因表达的负反馈环路，即迄今为止被公认的“转录—翻译负反馈环”(transcription-translation feedback loop, TTFL)。

2 人体生物钟与健康

所有的生物性状都是自然对生物适应环境的变化而选择的结果。有利于生存和繁殖的性状就在生物演化的过程中被自然选择保留了下来。生物钟让一个生物个体预见到食物的定时出现而提前准备并及时到场，生物钟也使生物预见不利于生理活动的事件，如对高温和寒冷的定时出现而提前规避。能掌握环境变化规律并预见环境变化的物种显然有生存和繁殖的优势，因此被自然所选择。生物钟的元件和机理就这样在长期的生物演化过程中被自然选择保留了下来，成了普遍的生物现象。

人的生物钟就是人体内随时间作周期变化的生理生化过程，以及形态结构和行为变化等现象。人体的各种生理指标，如脉搏、体温、血压、体力、情绪、智力等，都会随着昼夜交替产生周期性变化。例如，体温早上4时最低，下午6时最高，相差约1℃。科学家经过多年的研究，已经对人体许多生理生化活动的昼夜节律现象有了比较清楚的了解(图2)。

0～12点

12～24点

生物钟的正常工作对人体健康起着重要作用。生物钟失调会导致失眠、体乏、抑郁、免疫功能低下，甚至产生包括肿瘤在内的各种疾病。根据人体生理生化活动的周期性变化，可以合理安排一天的活动，从而使工作和休息效率达到最高，也使得人的身心健康状态达到最佳。

3 生物钟与高中生物学教学的联系

3.1 基因的表达 高中生物学必修2“遗传与进化”模块中，基因的表达一章是重点内容，描述的是具有遗传效应的DNA片段(基因)如何携带遗传信息传递到细胞质，然后转化为相对应的蛋白质发挥功能。教师在“遗传信息的转录”新授课中，可以引导学生回忆并思考果蝇在遗传学上的经典实验，并结合图1中per基因指导合成蛋白质PER的示意图提出问题串： ①什么是基因？基因位于哪里？②基因能直接合成蛋白质吗？为什么？③mRNA是什么？如何形成？通过结合图形循序渐进让学生了解并掌握转录的过程。

3.2 反馈调节 高中生物学必修3“稳态与环境”模块中，对反馈调节的描述为： 在一个系统中，系统本身的工作效果,反过来又作为信息调节该系统的工作，这种调节方式叫做(负)反馈调节。本概念抽象、理解难度较大。教师在授课时往往采用举例(如冰箱制冷)的形式来让学生理解概念，但是效果甚微。建议授课老师可以展示出生物钟的分子调节模式图，结合必修2的“转录”与“翻译”知识点，让学生自己尝试说出per基因如何周期性控制蛋白PER的合成。最后，教师结合图解解释“负反馈”的概念，这样可能事半功倍。

3.3 试题命制 各省历年高考生物学试题均会与当年的最新科研或诺贝尔奖有关研究相联系。例如，2016年江苏卷第18题考查CRISPR/Cas9基因编辑技术，第30题考查青蒿素对疟疾患者群体基因型的影响，2017年江苏卷第28题考察葡萄糖转运载体(GLUT)与糖尿病的关系分析等。这要求教师在平时教学之外，应该去关注生物学最新的科学前沿研究，把握最新的科学动态。以科研成果为背景命题，不仅考查学生对高中生物学基础知识的把握，还能提高学生对生物学科的学习兴趣。