新的“生物钟基因”被发现

　　

生物通报道：人类基因序列的破译在生物界发展的地位就像多年前人类首次登上月球一样，是人类发展的重要里程碑。然而，人类基因组计划并不是一件简单的事情，它不是人类一次性获得的成功，而是在过去很多年积累得到的结果。破译人类和其它物种基因的重要性在于成千上万的DNA密码被存入数据库中，使得世界各地的科学家们都可以利用数据进行后基因组的研究——包括注释（annotating），就是将DNA编码与基因、蛋白、生理学功能、对行为的影响等等联系起来。这些研究工作对未来药物的开发有重要的意义，科学家们正在进一步研究人类的基因对自身健康和疾病的影响。

在过去的许多年里面，来自Scripps研究中心和Novartis基因研究基金会（Novartis Research Foundation (GNF)）的一些科学家们正在研究生理节奏（circadian rhythms）的生物学本质。这里的生理节奏是指机体定期循环表达基因的节奏。

Steve KayJohn和Hogenesch博士带领的研究小组综合基因组学、生物化学和行为学的方法进行研究，最新研究发现哺乳动物生物钟的一个重要的组分：“Rora”蛋白质。在不久的将来，这一发现将帮助人们调整时差，适应夜班后的不适感觉、帮助患有严重睡眠疾患的患者等等与生理节奏有关的问题。这些发现已经发表在最新一期的Neuron杂志上。

科学家早已发现人类、老鼠和其它许多植物、动物都拥有一个内在的生物钟，使得生理、行为和生化的周期节奏与一天24小时的昼夜循环相一致。例如，植物在夜晚停止光合作用，在黎明前开始为光合作用做准备。它们用自己的生物钟去衡量日照的时间和季节的变化，决定开花、结果和落叶的时间。人类同样拥有自己的生理周期，我们内部的生物钟为一天24小时。在正常情况下，我们白天进行正常的活动，夜晚休息，我们的血压也随之进行可预测的周期性波动。

“尽管置身没有光线的环境，身体仍然会在预期天亮的时候设定自身的生理活动，”Hogenesch说。将小鼠放在不分昼夜的笼中，小鼠的生理周期依然维持24小时一个周期的节奏。

有趣的是，哺乳动物的生物钟是由许多不同的组分组成的，以维持身体不同组织的生理周期。肝脏、心脏、肾脏都有自己不同的生物钟。例如，肝脏在白天表达一系列的酶清除在摄取食物过程中进入血液循环的毒素。调整人体内不同生物钟统一工作的“主”生物钟位于视丘（ hypothalamus）的上视神经交叉核（suprachiasmatic nuclei），大约由10,000个神经元组成，这个主生物钟调节24小时循环一次，协调外周组织中的各个独立的生物钟。循环包括反馈环（feedback loops）相关的多个基因的表达。在feedback loops中，第一个基因的表达可以打开第二个基因的表达，后者导致关闭第一个基因，而第一个基因的关闭导致第二个基因的关闭，后者再导致第一个基因的打开......如此循环，日日夜夜不停。

然而，在现实生活中，我们的feedback loops不是仅含有两个基因的简单循环。人体内大量的生物钟基因都涉及整个feedback loops内。生物钟可以根据环境的变化不断调整生物钟的表达。人体的不同部位的生物钟会对改变做出不同的反应。心脏紧密跟踪主生物钟的节奏从而保持同步的生理周期。然而，肝脏就迟钝的多——它需要几天的时间来适应主生物钟的变化。引起时差和夜班后不适反应的主要原因也是由于肝脏的生物钟无法适应睡眠周期的突然改变。弄清楚哺乳动物的生物钟、出现的时差、某种睡眠疾患的关键在于——发现那些负责沟通主生物钟的节奏和其他器官的节奏的基因。很多基因还没有被发现。

Panda和Sato完成了不同哺乳动物组织样本的基因微阵列（芯片）分析来确定哪些基因可能是生物钟的组成部分。这些实验包括从特定组织取材，回收mRNA，制备探针，与基因芯片杂交。基因芯片上固定数以千计不同基因的片断，通过检测与芯片上的片断结合的样本探针信号就可以得知样本中哪些基因表达的情况。

Scripps研究中心通过在两天时间内每三小时观测一次各种鼠类组织中10,000个不同基因的表达，包括肝肾、大动脉、骨骼肌、上视神经交叉核等组织，从中寻找周期表达的基因。

数据显示有10%的基因周期表达，组织间的基因表达很少重叠。这种基因的周期表达与生理活动有关。例如，肝脏在每天特定的时间释放特定的酶。研究人员真正感兴趣的是那些重叠的周期表达——在所有组织中都有循环表达的基因——这些据推测应该就是主生物钟的组成部分。

研究人员发现同一时间内有50个基因全天在不同组织内周期表达，他们推测其中包括已知和未知的生理周期基因。实际上，已知的生理周期基因就有50个，不过在这里发现的基因中还有很多此前并不知道与生物钟有关。

科学家估计那些基因可能是哺乳动物生物钟的基因，如果真的是这样，那这些基因应该会与已知的生物钟基因相互作用。所以，他们设计实验来观察是否新发现的基因在细胞中的表达会对已知的生物钟基因表达产生影响。他们利用生物化学实验来检测这些基因是否能够影响转录过程。科学家发现了一个视黄醇类核内受体（retinoic acid receptor-related orphan receptor-a，Rora）的家族基因能够调控基因的转录过程。这类基因序列与视黄醇酸受体（retinoic acid receptor）基因的序列相似，但不具有相同的功能。这是一种“孤儿受体”（orphan receptors），也就是说激活这种受体对应的配体或者因子还没有被发现。

 Rora表达一个转录因子，能够结合在DNA上启动基因转录。激活的Rora基因可以激活；另一个转录激活因子Bmal-1。Baml-1基因是一个已知的生理周期基因，可以激活感光色素蛋白（cryptochrome）的产生，感光色素蛋白的产生反过来抑制了Baml-1对自身表达的激活作用。这个反馈循环使得机体保持一天24小时的生理周期。

Baml-1基因是保持人体生物钟的重要因素，Rora基因可以影响Baml-1基因的表达，所以Rora基因也是哺乳动物生物钟基因的重要成员。科学家们希望可以进一步证明Rora蛋白在生物体的生理周期中扮演重要的角色。他们研究一种Rora基因缺陷的鼠类模型"staggerer"，这种突变小鼠由于遗传缺陷而导致无法平衡。结果证明，“摇摆者”模型的调节生理周期的功能失调。观察人员发现，"staggerer"生理周期异常，而且生理周期仅为23.2小时。

“研究结果显示生物钟是由连锁的feedback loops组成”，Kay谈到。这些重叠的feedback loops可以及时准确地调节生物钟的变化。这意味着多个循环中，一个生物钟相关基因的改变可以影响其他相关基因的改变，使得生物钟的调节更加容易。

掌握Rora基因是哺乳动物生物钟的基因有重要意义的，因为Rora基因可以作为潜在的靶点来治疗与生理周期有关的睡眠疾患、时差问题和夜班后的不适感。Sato认为，阻断Rora基因的表达可以帮助改善时差的不良反应。
Source: Scripps Research Institute