Cell子刊提出新理论：生物节律的另一面

　　

——对于蓝藻来说，驱动生物钟的是代谢活性，而不是光照

生物通报道：光合蓝藻（Synechococcus elongatus）与其它许多生物体一样，都具有昼夜节律的生物钟系统。这种单细胞生物只有简单的三个生物钟蛋白：KaiA、 KaiB和 KaiC，因此对于科学家们来说，蓝藻是最简单的生物钟生物。

近期来自芝加哥大学的一组研究人员构建了一种新工程蓝藻，这种蓝藻可以在无光合作用的条件下生长，它们采用的是外部代谢葡萄糖供给。这令人感到惊讶，因为虽然科学家们一直未能找到蓝藻中光敏感生物钟元件，但是一般认为蓝藻是由光照来完成昼夜节律的。这一研究成果公布在 Cell Reports杂志上。

生物钟是生物生命活动的内在节奏和周期性节律，生物通过它能感受外界环境的周期性变化，并调节自身生理活动的步伐。但是生物钟具体如何调控生理活动的过程，目前尚不是完全清楚。

单细胞蓝藻Synechococcus elongatus为研究生物钟生物学提供了不少开拓性帮助，一些科学家们在这种蓝藻建立了较为完善的遗传学分析手段，使之成为研究蓝藻生物钟的最佳模式，但至今科学家们都未能在这种生物体中找到光敏感生物钟元件，一些研究人员证明Kai蛋白能对代谢活性产生应答，由此指出蓝藻也许是与光合作用下游代谢物同步的，而不是与光本身同步。

为了将光照循环与代谢分开，在这一研究中，Rust等人构建了一种无需光合作用也能生长的蓝藻品系，结果发现这些蓝藻的生物钟在存在葡萄糖的时候，并不会对光照产生应答，而在持续黑暗环境下，生物钟却能跟随葡萄糖供给来完成。由此研究人员指出S. elongatus中代谢活性才是基础生物钟驱动因素，“所需的只是一个代谢周期，之后（生物钟）蛋白就会跟进，”Rust说。

这个机理能普遍应用吗？

在这种世界上最古老生物之一：蓝藻中发现了代谢的新作用，表明“也许出现生物钟的最古老生物代表的是日常代谢循环的存在，”Rust解释道。

此外就肠道细菌而言，也没有黑暗-光照的循环，但是依然存在日常节律，来自魏茨曼研究所的Eran Elinav（未参与该项工作）说，他表示“这带来了一个非常有趣的假说——代谢活性或者不同组合的代谢产物可能在生物节律系统中扮演了重要角色。”

生物钟研究引人注目，来自韩国科学技术院的研究人员发现了即使温度改变，生物钟也会按时运作的原理，引发许多关注。

生物钟起到维持24小时周期的生物节律的作用，晚上9点左右开始分泌睡眠荷尔蒙“将黑素”，提醒人们睡觉，早上7点左右会让人醒来。但是普通的生物化学反应，随着温度上升，反应速度也会加快。也就是说，身体发热或在夏季，睡眠时间可能会缩短。幸运的是，人体生物钟与温度变化无关，能保持稳定。这种性质虽然早在1954年就被发现，但至今人们依旧没搞清楚其运作原理。虽然许多生物学家和数学家发表了各种假设，但是每次验证都失败了。

金在景教授的研究发现，生物钟的核心即蛋白质“Period2”分解的样子很特别。普通蛋白质会随着时间的推移迅速分解。Period2反复进行快速分解后，分解过程变慢，并以阶梯形态减少。韩国数学家解开60年之久的生物钟秘密

还有来自英国曼彻斯特大学的生物学家首次证实，骨关节炎患者那些痛苦和使人衰弱的症状，与人体生物钟有着本质的联系。

软骨细胞中的生物钟——控制着数千个基因，可在一天的不同时间产生不同的生物活性。身体的生物钟，控制着“休息时软骨细胞何时被修复”与“活动时它们如何磨损”之间的平衡。

新研究显示，随着我们年龄的增长，我们软骨细胞的生物钟变差，从而使得修复功能不够，这可能会引发骨关节炎。华人学者首次发现生物钟与关节炎有关

原文检索：

G.K. Pattanayak et al., “Controlling the cyanobacterial clock by synthetically rewiring metabolism,” Cell Reports, 13:2362-67, 2015.