研究人員正在尋找能夠支配生理節(jié)奏并存在于所有生物中的普適生物鐘,。
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25億年前出現(xiàn)的能夠制造氧氣的原始生命或許已經(jīng)開始運(yùn)行最早的生物鐘了,。5月15日發(fā)表在《自然》Nature雜志上的一篇頗具爭(zhēng)議的論文指出,，可吸收氧呼吸作用所產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物——例如過氧化氫——的酶能夠以周期的形式出現(xiàn)盈虧，并存在于生命的各種形式當(dāng)中,。
幾乎所有的生物都能夠通過被稱為生物鐘的生化機(jī)制來保持內(nèi)在的時(shí)間。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)最新研究的英國(guó)劍橋大學(xué)生化學(xué)家Akhilesh Reddy表示,，在缺乏外部信號(hào)，例如陽(yáng)光的情況下,，這些循環(huán)大約為一個(gè)周期24小時(shí)，但它們也能夠通過對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)來加以重置,。例如，一位旅客如果要從時(shí)差中恢復(fù),，則必須重新設(shè)定自己的生物鐘,。
生物鐘被深深纏繞在一個(gè)有機(jī)體的日常生活中。它們幫助植物的葉片尋找捕獲陽(yáng)光的時(shí)機(jī),，并且為黑脈金斑蝶在北美洲導(dǎo)航。缺乏生物鐘的單細(xì)胞藻類是無(wú)法存活的,。
Reddy指出，盡管生物鐘至關(guān)重要且普遍存在,，但在不同生物體內(nèi)控制生物鐘的基因卻不盡相同。例如,，擬南芥（Arabidopsis thaliana）的生物鐘基因與果蠅和哺乳動(dòng)物的相關(guān)基因便相去甚遠(yuǎn),，這表明生物鐘并不是從一個(gè)共同的祖先進(jìn)化而來的,。Reddy說：“我們似乎覺得這個(gè)周期被反復(fù)‘發(fā)明’了5次。”
在尋找一臺(tái)“普適”生物鐘的過程中,，Reddy和同事將目光投向了一類名為抗氧化蛋白的酶,，它們存在于幾乎所有的生命形式中。這種酶的周期介乎于兩種化學(xué)態(tài)之間,，這主要取決于它是否與過氧化氫發(fā)生反應(yīng)，后者是對(duì)細(xì)胞有害的氧呼吸作用的一種副產(chǎn)品,。2011年，Reddy的研究小組報(bào)告稱,，在兩種化學(xué)態(tài)之間的人體紅細(xì)胞和海藻中的過氧化還原酶的周期約為24小時(shí),。
如今,，Reddy的研究小組將他們的觀測(cè)結(jié)果擴(kuò)展到小鼠,、果蠅和植物，以及細(xì)菌與古生菌當(dāng)中,，其中古生菌是30多億年前進(jìn)化出的第一種細(xì)胞生命形式。在缺乏陽(yáng)光的前提下,，過氧化還原酶也能夠在所有這些有機(jī)體中保持時(shí)間,，而這正是生物鐘的一個(gè)主要特點(diǎn),。
研究人員發(fā)現(xiàn),，過氧化還原酶，或稱為代謝生物鐘并不依賴于其他生物鐘,。Reddy指出,，代謝生物鐘的許多內(nèi)部機(jī)制還沒有搞清。
但Reddy認(rèn)為,，過氧化還原酶是所有生物鐘祖先的一個(gè)很好的候選者,。他和同事假設(shè)，作為對(duì)光合作用在細(xì)菌中出現(xiàn)的一種響應(yīng),，這種系統(tǒng)在約25億年前出現(xiàn),。這導(dǎo)致了氧氣在地球大氣中的逐漸積累，即所謂的“大氧化事件”,。
美國(guó)芝加哥市西北大學(xué)費(fèi)因伯格醫(yī)學(xué)院的內(nèi)分泌學(xué)家Joseph Bass對(duì)這項(xiàng)研究表示贊賞,，但他同時(shí)指出：“我認(rèn)為我們依然沒有完全搞清是何種支配性的壓力導(dǎo)致了生物鐘的進(jìn)化。”（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature11088
PMC:
PMID:
Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms
Rachel S. Edgar, Edward W. Green, Yuwei Zhao, Gerben van Ooijen, Maria Olmedo, Ximing Qin, Yao Xu, Min Pan, Utham K. Valekunja, Kevin A. Feeney, Elizabeth S. Maywood, Michael H. Hastings, Nitin S. Baliga, Martha Merrow, Andrew J. Millar, Carl H. Johnson, Charalambos P. Kyriacou, John S. O’Neill & Akhilesh B. Reddy
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.
