Nature头条：同步的时钟

　　

生物通报道  研究人员鉴别出了跨越生命所有三个领域的首个保守的生物钟元件。

许多的生物体呈现出昼夜节律——调控每日新陈代谢、生理学和行为改变的内部生物钟。但是从真菌、果蝇到人类，在物种间还没有发现有共同的生物钟基因或蛋白。在新研究中，研究人员首次鉴别出了在细菌、古细菌（archaea）和真核生物（eukaryotes）的昼夜节律中活跃的一个代谢蛋白。

这一研究发现发布在5月16日的《自然》（Nature）杂志上，表明与此前的观点相反，昼夜时钟可能享有一个共同的祖先。此外，由于这一清除活性氧的代谢蛋白发生了周期性的改变，作者们认为在25亿年前对于大气中氧聚集的传感和反应有可能驱动了昼夜节律的进化。

“最厉害的是它表明不知何故所有这些生物体都具有从前不明显的代谢昼夜节律，”俄勒冈州立大学生物学家P. Andrew Karplus（没有参与这一研究）说。不过，他指出尽管鉴别的蛋白是代谢昼夜节律的一个有力标志物，但是没有证据表明它是这种节律的原因。最大的问题是这一节律的起源是什么？它是如何发生的？

在过去的20年里，研究人员主要通过研究果蝇确确定了大量的基因和蛋白质提供给共同模式：一个转录-翻译反馈回路，凭借它基因被转录然后翻译为蛋白质，然后累积直至它们达到能够触发转录关闭的阈值，所有都发生在大约24小时的周期内。这一模型已经成为了昼夜节律研究的基础。

然而在去年，英国剑桥大学的Akhilesh Reddy和同事们证实这一昼夜生物钟机器至少有一个组件与转录无关——一个称为过氧化物酶（peroxiredoxin）蛋白的抗氧化剂家族，它可以在与代谢相关的24小时氧化-还原循环中吸纳细胞中过量的过氧化氢。Reddy研究小组发现这一几乎存在于每一个生物体中的蛋白质在人类、小鼠和海藻细胞中均显示出了昼夜节律振荡（circadian oscillation）。

“我们似乎已经发现这些真核生物体具有这些节律，因此我们决定在细菌和古细菌中开展进一步研究，”Reddy说。在最近的研究中，他的研究团队在淡水蓝藻细长聚球藻（Synechococcus elongatus）和海洋有氧古菌嗜盐杆菌（Halobacterium salinarum）中检测了过氧化物酶的氧化节律。每个生物体均在48-72小时内维持在恒定的光线和温度中，在这期间研究人员定期检测样品的过氧化物酶氧化与否。果然，在这两个物种中，蛋白质随着24小时周期显示出强大的氧化振荡。

研究小组还检测了从前鉴别的生物钟机制与过氧化物酶之间的联系，发现当果蝇和拟南芥中的已知基因突变时，过氧化物酶周期仍持续不间断。这表明两个组件——传统的转录-翻译回路因子和过氧化物酶——相互独立运作生成了生物体的昼夜节律。

由于从前在生命的不同领域没有鉴别出共同的生物钟机制，科学家们认为昼夜节律是独立多次进化而来。“但是为何要多次推倒重来？它没有任何的意义，”Reddy说。Reddy早就怀疑昼夜节律可能享有一个共同的分子起源，而事实上生命的所有三个领域都享有过氧化物酶周期支持了这一观点。例如，昼夜节律有可能是随着细胞适应早期环境能源供应（阳光）循环和随后的氧化应激循环而进化的。

目前进化的证据还不能完全令人信服，Karplus说：“过氧化物酶蛋白似乎没有驱动任何或是大概与生物钟蛋白的互作。它们只是碰巧发生了成为了代谢活动的读值。”

但是由于新发现，过氧化物酶现在可用作一种标记物来在其他研究很少的物种中寻找昼夜节律。“第一次我们发现了可在所有生物体中观测昼夜节律的一个共同点，”Reddy说。

Reddy补充说研究结果也可能还有其他更多的实际应用。例如在未来，研究人员或可利用小分子靶向过氧化物酶来破坏致病细菌的昼夜节律，或是提高农作物的节律帮助它们更有效率地生长。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原摘要：

Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms

Cellular life emerged ~3.7 billion years ago. With scant exception, terrestrial organisms have evolved under predictable daily cycles owing to the Earth’s rotation. The advantage conferred on organisms that anticipate such environmental cycles has driven the evolution of endogenous circadian rhythms that tune internal physiology to external conditions. The molecular phylogeny of mechanisms driving these rhythms has been difficult to dissect because identified clock genes and proteins are not conserved across the domains of life: Bacteria, Archaea and Eukaryota. Here we show that oxidation–reduction cycles of peroxiredoxin proteins constitute a universal marker for circadian rhythms in all domains of life, by characterizing their oscillations in a variety of model organisms. Furthermore, we explore the interconnectivity between these metabolic cycles and transcription–translation feedback loops of the clockwork in each system. Our results suggest an intimate co-evolution of cellular timekeeping with redox homeostatic mechanisms after the Great Oxidation Event ~2.5 billion years ago.