生命科學

小小果蠅,揭秘生理時鐘運行

日出而作、日落而息,看似平常的生物行為, 蘊藏奧妙的生理機制。

撰文/楊恩(Michael W. Young)
翻譯/陳瑀葳

生命科學

小小果蠅,揭秘生理時鐘運行

日出而作、日落而息,看似平常的生物行為, 蘊藏奧妙的生理機制。

撰文/楊恩(Michael W. Young)
翻譯/陳瑀葳


許多搭乘飛機、跨越到另一個時區的人都有這樣的經驗:在凌晨4點忽然從睡夢中清醒,無論怎麼努力都沒辦法倒頭睡著;下午3點突然感受到強烈的飢餓感,到了晚餐時間卻毫無胃口,反而不停打呵欠。


人體似乎有內建的生理時鐘(biological clock),讓我們的體溫、血壓、激素濃度等各種生理現象與大自然的晝夜交替同步,進而影響我們的睡眠、進食等行為,展現出日變節律(circadian rhythm)。而當外在環境與原本的生理節奏出現歧異,體內的生理時鐘也需要重新設定,讓我們的生活再度隨著日升日落同步運行。


尋找體內時鐘


科學家早在1960年代便提出了人體內建生理時鐘的想法。德國馬克士普朗克行為生理學研究所的艾許夫(Jurgen Aschoff)是該領域的先驅,他和同事把數名受試者個別關在沒有自然光或其他時間線索的倉庫,發現即使在這樣的環境中,受試者仍保有大約25小時的睡醒週期(sleep-wake cycle)。美國哈佛大學的柴斯勒(Charles Czeisler)和克諾勞爾(Richard E. Kronauer)也得出類似結論,他們讓24名受試者居住在一個僅有些微時間訊息的封閉空間,並把此處的光暗週期設定為28小時;三個星期之後,受試者的生理現象並沒有受到人造環境的影響──無論是體溫或血液內激素濃度的變化起伏,仍遵循24小時的規律。


1972年,芝加哥大學的摩爾(Robert Moore)和加州大學柏克萊分校的朱克(Irving Zucker)終於藉由腦損傷研究證實,生物體內的確有自行運作的生理時鐘,而調控日變節律的關鍵腦區是大腦下視丘中的視叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN),SCN損傷的大鼠無法表現出明顯的日變節律。此外,外界的光刺激可經由視神經直接影響SCN,進而影響與日變節律相關的其他腦區,例如分泌褪黑激素的松果腺。


果蠅也有時差


神經解剖研究幫助我們找到了生理時鐘的所在,但它究竟是如何運作的呢?要解答這個謎題,關鍵是找出生理時鐘運行的分子機制。科學家把目光轉到一個毫不起眼的物種:果蠅。乍看之下,果蠅與人類似乎有著巨大差異;然而這種體型微小、生命週期極短、繁殖快速的昆蟲是進行此類研究的絕佳模型,讓遺傳學家在短時間內培養出不同的突變種,以篩選出相關基因。


加州理工學院的科諾卡(Ron Konopka)和班瑟(Seymour Benzer)在1970年代首先以果蠅研究獲得重大突破。他們用誘變劑(mutagen)誘發果蠅產生基因突變,並觀察這些果蠅的後代是否表現出作息變化。結果發現,絕大部份果蠅的後代維持正常的24小時晝夜週期,但其中三種品系例外:一種表現出19小時的週期,另一種是28小時,第三種則沒有任何週期規律可言。


這三種果蠅的奇特行為引起數個研究團隊的好奇,包括洛克斐勒大學的楊恩(本文作者)、布倫戴斯大學的霍爾(Jeffery Hall)和霍華休斯醫學中心的羅斯巴許(Michael Rosbash)等人紛紛對這些變異株展開研究。1980年初,這些研究人員發表了相似的研究結果:上述三種果蠅品系皆有同一個基因突變,而這個位於X染色體的基因也因此命名為period(簡稱per)。此外,楊恩實驗室的博士後研究員賽格爾(Amita Sehgal)和普萊斯(Jeffrey Price)也在檢視多達7000隻果蠅後代之後,發現另一個與生理時鐘相關的基因timeless(簡稱tim)。tim坐落於第二條染色體,一旦發生變異,果蠅便無法明顯表現出週期活動。


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