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。


接下來數年,楊恩、霍爾和羅斯巴許的研究團隊針對這兩個基因及其蛋白質產物進行一連串實驗,逐漸拼湊出調控生理時鐘的分子機制。簡單來說,位於細胞核內的per和tim可分別製造出PER蛋白質與TIM蛋白質,這兩種蛋白質主要是在白天時於細胞質內合成;當蛋白質濃度逐漸升高,PER與TIM便形成蛋白質複合體,PER-TIM複合體在夜間從細胞質進入細胞核,進而抑制自身基因的活化和蛋白質產物的生成。由於PER-TIM複合體也會逐漸被細胞內的酵素分解,隨著白晝來臨以及複合體的抑制作用慢慢消失,per和tim又可以開始製造蛋白質產物,週而復始重複上述過程。


這樣的負回饋機制不但讓PER與TIM蛋白質的濃度隨著晝夜週期而起伏,更形成了內建的生理時鐘。有趣的是,這個生理時鐘也會受外界影響,外界的光等環境刺激可以重新設定生理時鐘。舉例來說,楊恩實驗室中有兩個名為「紐約」和「舊金山」的果蠅培養器,其光暗週期分別遵循美國東岸和西岸的時區,有不同的日出日落時間。當生活在「紐約」培養器中的果蠅突然被移到「舊金山」,牠們腦中TIM蛋白質的濃度也會隨之改變。也就是說,雖然生理時鐘能夠在缺乏時間線索之下自行運作,外界刺激卻可以重新調節時鐘的分子機制,幫助生物快速適應新的環境。


楊恩、霍爾和羅斯巴許以果蠅為模型的研究揭開了生理時鐘的基本運作機制,並為後續的相關研究奠下重要基礎。日本東京大學、神戶大學以及美國貝勒醫學院的數個研究團隊在楊恩等人發表結果後數年,在小鼠和人類身上找到了per和tim基因的同源體,也發現它們在SCN內特別活躍。這代表楊恩等人闡述的分子機制不僅適用於果蠅,事實上,幾乎所有多細胞生物(包括人類)都運用類似的分子機制來調節日變節律。由於生理時鐘是協助生物適應外界環境的重要機制,楊恩、霍爾和羅斯巴許的研究成果不只讓我們一窺生理時鐘的運作原理,對於治療睡眠障礙、肥胖、甚至情緒相關的疾病更有深遠的影響。