2017年10月2日北京时间17点30分许,美国遗传学家杰弗里·霍尔(Jeffrey C. Hall)、迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)和迈克尔·扬(Michael W. Young),因发现昼夜节律的分子机制,荣获2017年诺贝尔生理学或医学奖。
Jeffrey C. Hall(杰弗里·霍尔)是美国遗传学家,于1971年获得西雅图华盛顿大学遗传学博士学位,于1974年成为布兰代斯大学教员。Michael Rosbash(迈克尔·罗斯巴什)是美国遗传学家,罗斯巴什是布兰代斯大学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员。Michael W. Young(迈克尔·扬)是美国遗传学家、美国国家科学院院士。
2000年3月,迈克尔·W·扬曾为《科学美国人》撰文《生物运转的时钟》,介绍其在生物节律方面的研究工作。在《环球科学》2015年4月刊中的《每个器官里,都有生物钟》一文中,美国西北大学的神经生物学家基思·苏马和弗雷德·图雷克为我们详细讲解人类大脑中的生物钟。不管是谁,只要曾以500节(约272m/s)速度向东或向西飞上几小时,就会亲身经历体内生物钟与身体感知时间不符的感觉。
我们实验室主要以小鼠为研究对象。不过,从细菌到果蝇,再到人类,科学家已在大量物种中发现了生物钟基因。如今,研究者已经阐明了生物钟在代谢失调过程中扮演的角色。这是生物钟领域迄今为止最重大的进展。在内部生物钟的作用下,蓝藻在日出之前即可提前动员光合系统。与之类似,日落之后,蓝藻的光合系统亦会遵循生物钟的指令而关闭。
有些菌株的生物钟基因发生了突变,这些细菌的节律周期因此由常见的24小时变成了20或22个小时,甚至30小时。尽管调控人类生物钟的基因与蓝藻并不相同,但我们的昼夜节律与这些蓝藻却有很多相似之处。这表明二者的生物钟是为了满足同样的生理需求与功能,各自独立进化而来的。起初,研究者假设,机体内只有一个生物钟扮演着节拍器的角色,可以调节无数生理过程。
研究人员开始发现,有证据表明,活跃在大脑中的生物钟基因在肝脏、肾脏、胰腺、心脏等组织的细胞中也会周期性地表达和关闭。几乎与此同时,许多科学家开始研究昼夜节律与衰老的关系。这项研究让科学家更加关注昼夜节律对代谢的影响。之前对倒班工人(他们的生物钟与正常昼夜节律长期不吻合)的研究表明,他们患上代谢、心血管及胃肠道疾病的风险比一般人高。
在研究者认识到昼夜节律有助于调节代谢之后,他们很快开始研究位于肝脏的外周生物钟。肝脏在代谢调节中扮演了关键角色。西北大学的比利·马奇瓦与约瑟夫·T·巴斯展开了一系列后续研究,希望探明胰腺生物钟发挥的作用。他们发现,胰腺生物钟对维持正常血糖水平至关重要,破坏这一生物钟会严重损害胰腺功能,并导致糖尿病。研究者的另一个重要发现是,一些组织中的生物钟可以对多个生理过程施加影响。
的确,每个生物钟都能调控多个生理过程。例如,肝脏生物钟负责调控葡萄糖产生与代谢的整个基因网络。生物钟基因对脂肪组织中的多个代谢过程亦可施加影响。其实,脂肪组织不仅仅是储能仓库,它还可以分泌瘦素至血液中,并影响机体其他器官的活动,因此也可被认为是内分泌器官。最近,西班牙穆尔西亚大学的玛尔塔·加尔莱与哈佛大学的弗兰克·舍尔领导的一项针对节食者的研究表明,午餐时间与减肥能否成功存在关联。
他们发现,在节食减肥时,较早吃午饭的人更容易降低体重。其他一些以人类为对象的研究表明,对人的昼夜节律进行更细致的研究,能让我们更加深入地理解代谢失调,催生更好的治疗方法。例如,慕尼黑大学的蒂尔·罗恩内伯格及其同事对世界范围内数千人的睡眠状况进行了研究,描述了一种常见的慢性节律紊乱,并将其命名为“社交时差”。如果我们对机体生物钟的角色有了更深的理解,有可能让医学发生一场彻底的革命。
如果把如何让生物钟发挥最佳功能的相关知识纳入医学领域,我们就能拓展出一个新领域,我们称之为节律医学。