來自范德堡大學(xué)（*）的一支跨學(xué)科的研究小組，在分析了至今為止最簡(jiǎn)單的生物鐘之后,，解析了這個(gè)生物鐘“滴答”的秘密,，他們的研究成果刊登在3月27日的《Public Library of Science Biology》雜志上,。
生物鐘（**）是微觀水平上的起搏點(diǎn)（***）,，存在于所有生物中,，從綠藻到人類,，將錯(cuò)綜復(fù)雜的生化過程有序地排列起來。一個(gè)旅行者,，如果他/她內(nèi)在的生物鐘與環(huán)境的時(shí)間不同步,，那么他/她就會(huì)切身體會(huì)到時(shí)差帶來的痛苦。事實(shí)上,，當(dāng)一個(gè)人的生物鐘出現(xiàn)障礙時(shí)（例如適應(yīng)變化的工作周期）,，會(huì)面臨許多類型的生理紊亂，例如季節(jié)性情感障礙（Δ）,、一些抑郁癥、睡眠障礙,，等等?，F(xiàn)代研究表明這些分子時(shí)鐘還與癌癥的發(fā)生有著重要關(guān)聯(lián)。
在2005年,，來自日本的研究者揭開了一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)：藍(lán)綠藻（ΔΔ）中的三種蛋白組成了生物鐘,，當(dāng)藍(lán)綠藻處在含有三磷酸腺苷（ΔΔΔ；生物反應(yīng)所需的能量）的試管中時(shí),，它們能獨(dú)立地建起24小時(shí)的周期,。
“那確實(shí)是一個(gè)非常大的驚喜，”生物科學(xué)教授Carl Johnson介紹說,，他是此項(xiàng)新研究的組織者,，“我們之前都認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)肯定是更為復(fù)雜的，需要遺傳機(jī)器的反饋才能正常工作,。”
盡管這個(gè)生物鐘只有三個(gè)最基本的組分,，即KaiA, KaiB和KaiC，但是當(dāng)他們開始分析試管中究竟發(fā)生了什么的時(shí)候,，卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)中的機(jī)制超出他們的預(yù)想,。
“最引人入勝的地方在于這么簡(jiǎn)單的生物機(jī)器卻能完成如此重要的功能，它能一直保持著時(shí)間節(jié)奏,，”研究者Williams激動(dòng)地說道,，“它是我至今為止所遇見的最感興趣的生物學(xué)問題。”
三個(gè)蛋白中最大的是KaiC,，由6個(gè)相同的組件結(jié)合而成,，外形上看像一只桶。伴隨著晝夜的循環(huán),，KaiC分子周圍磷酸基團(tuán)的數(shù)量會(huì)有規(guī)律地增多和減少,。磷酸基團(tuán)的結(jié)合與脫離，準(zhǔn)確地說,，是磷酸化和去磷酸化,，這是一種常見的調(diào)控蛋白質(zhì)功能的方法,。KaiC在磷酸化和去磷酸化的狀態(tài)下，會(huì)選擇細(xì)胞中不同的蛋白質(zhì)相互作用,。這樣,，就讓這個(gè)生物鐘間斷地開啟和關(guān)閉許多細(xì)胞學(xué)過程。
基于之前的研究,，Johnson和同事對(duì)于其他兩個(gè)稍小的蛋白有一些了解,。他們知道當(dāng)KaiA結(jié)合到KaiC上時(shí)，磷酸化速率加快,，這可能是因?yàn)樗龠M(jìn)了磷酸基團(tuán)結(jié)合到六聚體KaiC上,，也可能是減慢了磷酸基團(tuán)從KaiC解離下來的速度。與KaiA的作用不同,，KaiB一般情況下不結(jié)合KaiC,，但在KaiC高度磷酸化時(shí)會(huì)結(jié)合上去，并結(jié)抗KaiA的作用,。更為深入的分析,，請(qǐng)參看英文原文。
據(jù)physorg網(wǎng)站2007年3月27日?qǐng)?bào)道,，范德比爾特大學(xué)一個(gè)跨學(xué)科研究小組對(duì)眾所周知的最簡(jiǎn)單生物鐘進(jìn)行了分析,，找到了生物鐘運(yùn)作的原因。他們的分析結(jié)果發(fā)表在《生物科學(xué)公共圖書館》期刊的3月27日版中,。生物鐘是微小起搏器,。他們普遍存在于從綠藻到人類的萬事萬物之中，幫助組織錯(cuò)綜復(fù)雜的生物化學(xué)過程,。當(dāng)旅行者體內(nèi)生物鐘與環(huán)境不同步時(shí),，他們就會(huì)出現(xiàn)一種時(shí)差綜合癥。當(dāng)一個(gè)人的生物鐘運(yùn)行不正常時(shí),，他就會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性的情緒波動(dòng),、感到沮喪、睡眠紊亂及工作時(shí)間段調(diào)整出現(xiàn)的問題,。最近研究甚至發(fā)現(xiàn)分子時(shí)鐘與癌癥之間存在聯(lián)系,。
2005年，一群日本研究人員取得了令科學(xué)界震驚的研究成果,。他們研究發(fā)現(xiàn),，把構(gòu)成藍(lán)綠藻生物鐘的三種蛋白質(zhì)與三磷酸腺甙同時(shí)放入一個(gè)試管之中，這三種蛋白質(zhì)自身會(huì)進(jìn)行24小時(shí)的循環(huán),。三磷酸腺甙是一種能為生物反應(yīng)提供能量的化學(xué)物質(zhì),。此項(xiàng)新研究的帶頭人生物科學(xué)教授卡爾.約翰遜說，“這太令人吃驚了,。我們都認(rèn)為生物鐘系統(tǒng)非常復(fù)雜,，生物鐘要正常工作需要從細(xì)胞基因機(jī)器中獲取反饋信息,。”
日本科學(xué)家公布的研究成果促進(jìn)一直從事生物鐘研究的約翰遜組建了一個(gè)跨學(xué)科研究小組，以研究這三種蛋白質(zhì)是如何建立并保持一個(gè)穩(wěn)定的24小時(shí)循環(huán)的,。他與他的長(zhǎng)期合作伙伴生物化學(xué)教授馬丁.埃格利征募了來自分子生理學(xué)系的電子顯微鏡專家副教授菲比.斯圖爾特和研究員迪維特.威廉斯及生物物理學(xué)家哈薩尼.邁克霍拉伯教授,。還有研究小組外圍成員藥理學(xué)研究員和生物數(shù)學(xué)家馬克.比爾尼。
盡管生物鐘只能三個(gè)基本部分組成,，組成生物鐘上的三種蛋白質(zhì)分別被帖上了KaiA,、 KaiB和KaiC的標(biāo)簽，當(dāng)研究小組開始分析試管中發(fā)生的反應(yīng)時(shí),，他們所觀察到的反應(yīng)數(shù)量超出了他們的想像,。威廉斯說，“最令人驚奇的是一個(gè)簡(jiǎn)單的生物鐘能夠然保持時(shí)間上做出如此令人驚駭?shù)氖虑?。這是我職業(yè)生涯以來所經(jīng)歷過的最令人著迷的生物之謎,。”研究人員尋找理解的主要問題就是這些分子是如何按照一秒一秒和一分一分的頻率進(jìn)行反應(yīng)，并且還能保持一個(gè)24小時(shí)的循環(huán),。
生物鐘最大的齒輪部分是蛋白質(zhì)KaiC。它是一個(gè)由6個(gè)相同成分組成的桶形分子,。根據(jù)依附在蛋白質(zhì)KaiC上磷酸鹽群數(shù)量的有規(guī)律增減,，生物鐘進(jìn)行24小時(shí)循環(huán)。磷酸鹽依附和脫離被稱之為磷酸化和脫磷酸作用過程,。它是蛋白質(zhì)規(guī)律性的共有方式,。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)KaiC磷酸化和脫磷酸化時(shí)，它會(huì)以不同的方式與細(xì)胞中的其它蛋白質(zhì)進(jìn)行相互作用,。這使得生物鐘能夠打開和關(guān)閉各種細(xì)胞反應(yīng)過程,。
基于以前的研究，約翰遜和他的同事一同對(duì)兩個(gè)更加小的蛋白質(zhì)在生物鐘中所扮演的角色進(jìn)行研究,。他們研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)KaiA鑲在蛋白質(zhì)KaiC上時(shí),，磷酸化率就會(huì)上升，或者會(huì)使磷酸鹽群能更加容易鑲在六堿基上,，或者使磷酸鹽群更難于脫離,。蛋白質(zhì)KaiB則相反，只有當(dāng)磷酸化程度很高時(shí)它才會(huì)附在蛋白質(zhì)KaiC上,。然而,，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)KaiB附在蛋白質(zhì)KaiC上時(shí)會(huì)抵消蛋白質(zhì)KaiA的作用。
開始,，研究人員設(shè)想了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的反應(yīng)過程：蛋白質(zhì)KaiA附上蛋白質(zhì)KaiC,，磷酸化在12小時(shí)內(nèi)逐步增加。這時(shí)某些東西開始觸發(fā)蛋白質(zhì)KaiB介入這些復(fù)雜反應(yīng),，磷酸化開始在隨后的12小時(shí)內(nèi)逐步減少,。然而,，約翰遜和埃格利在凈化和晶化蛋白質(zhì)KaiAC和KaiABC混合物，并用X射線晶體學(xué)技術(shù)探測(cè)這些混合物的結(jié)構(gòu)時(shí)卻再三失敗,。直到他們將這些蛋白質(zhì)混合物放在透射電子顯微鏡下時(shí),，他們才發(fā)現(xiàn)他們失敗的原因。斯圖爾特說,，“最終研究證明,，這些蛋白質(zhì)混合物并沒有形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這就是我們?yōu)楹尾荒軐?duì)他們進(jìn)行晶化的原因,。它們過三個(gè)小時(shí)就會(huì)從一種混合物轉(zhuǎn)變成另外一種混合物,，而后再過三個(gè)小時(shí)再?gòu)牧硗庖环N混合物轉(zhuǎn)變成其它混合物。我們?cè)谒袝r(shí)間點(diǎn)上對(duì)所有不同混合物進(jìn)行了混合,，只是采用的混合比率不同,。”研究人員將24小時(shí)循環(huán)劃分成7等份：開始時(shí)蛋白質(zhì)KaiC磷酸化水平最低，在Up1階段和Up2階段磷酸化水平開始增加,，直到抵達(dá)峰值水平,。在隨后的“P”階段，六堿基開始從Down1,、Down2和Down3脫去磷酸,，直到抵達(dá)“T”階段的最低水平。這時(shí)再重頭開始,。
分析同時(shí)還發(fā)現(xiàn),，試管中除了蛋白質(zhì)KaiA、KaiB和KaiC外,，還有大量的三種稱之為單體的更小的分子,，它們是構(gòu)建生物鐘蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)材料。蛋白質(zhì)KaiC是一個(gè)六堿基,，它由6個(gè)單體構(gòu)成,。蛋白質(zhì)KaiA是一個(gè)二聚物，由2個(gè)單體構(gòu)成,。蛋白質(zhì)KaiB是一個(gè)四聚物,，由4個(gè)單體構(gòu)成。同時(shí)三個(gè)蛋白質(zhì)又組成一個(gè)混合物,，而后解體,。蛋白質(zhì)KaiC同樣也解體成單個(gè)單體，然后再次組合,。
雖然這提供了一個(gè)頗具研究?jī)r(jià)值的過程,，但是這一過程的實(shí)際情況卻無法解釋。為了破解這一系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)原理,，他們轉(zhuǎn)向求助于比爾尼,。這名生物數(shù)學(xué)家說,，“卡爾給我的第一項(xiàng)任務(wù)就是找出這一三蛋白質(zhì)系統(tǒng)與三磷酸腺甙結(jié)合時(shí)是如何產(chǎn)生一個(gè)24小時(shí)循環(huán)的。我們?yōu)檫@一系統(tǒng)工作原理提出了一個(gè)‘最佳推測(cè)’方法,。”
依照比爾尼的方法,，這一系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是蛋白質(zhì)KaiC六堿基與單體之間的轉(zhuǎn)換。他說,，“24小時(shí)循環(huán)是六堿基磷酸化平均水平的變更,。為了在這一系統(tǒng)中制造一個(gè)持續(xù)不變的節(jié)奏，你必須找到某種能與個(gè)體六堿基磷酸化水平同步的方法,。事實(shí)是六堿基以一個(gè)比磷酸化和脫磷酸化保持磷酸化水平平均分配給整個(gè)蛋白質(zhì)KaiC群過程更快的速率進(jìn)行單體轉(zhuǎn)換,。假如蛋白質(zhì)KaiC群變得異步，即如果一些六堿基磷酸化和脫磷酸化與其它六堿基不同步,，這時(shí)六堿基就會(huì)脫離與其它六堿基一致的擺動(dòng)階段,，這樣你就會(huì)失去節(jié)奏。”
這一方法成功解釋了三種特定比例蛋白質(zhì)需要建立一個(gè)24小時(shí)節(jié)奏及溫度如何能夠重置系統(tǒng)和生物鐘系統(tǒng)的通常特性的原因,。然而,，研究之路仍然任重而道遠(yuǎn)。斯圖爾特說,，“本篇論文將是觀察24小時(shí)生物鐘循環(huán)的第一步,。研究的下一步將是找出蛋白質(zhì)是如何一同作為一個(gè)納米機(jī)器推動(dòng)生物鐘工作的。”同樣,，研究人員也認(rèn)識(shí)到活體細(xì)胞中的生物鐘系統(tǒng)遠(yuǎn)比試管中的生物鐘要復(fù)雜得多。在此僅舉一例,，活體細(xì)胞中生物鐘的規(guī)律水平不同會(huì)影響他們的運(yùn)作,，比如生物鐘蛋白質(zhì)單體合成控制。
