從微小的果蠅到人類，地球上的所有動物都根據(jù)它們的內(nèi)部生物鐘維持它們的日常節(jié)律。生物鐘使生物體能夠根據(jù) 24 小時(shí)的晝夜周期進(jìn)行行為和生理的節(jié)律性變化。例如，我們自己的生物鐘告訴我們的大腦在夜間釋放褪黑激素，一種誘導(dǎo)睡眠的激素。
生物鐘的分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)被授予 2017 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。據(jù)我們所知，沒有一個(gè)中心化時(shí)鐘對我們的生物鐘負(fù)責(zé)。相反，它在分層網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，其中有“主起搏器”和“從屬振蕩器”。
主起搏器接收來自環(huán)境的各種輸入信號，例如光。然后主機(jī)驅(qū)動從屬振蕩器，調(diào)節(jié)各種輸出，如睡眠、進(jìn)食和新陳代謝。盡管起搏器神經(jīng)元的作用不同，但眾所周知，它們具有共同的分子機(jī)制，這些機(jī)制在所有生命形式中都得到了很好的保護(hù)。例如，已在果蠅中深入研究了由核心時(shí)鐘蛋白組成的多個(gè)轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路 (TTFL) 的聯(lián)鎖系統(tǒng)。
然而，關(guān)于我們自己的生物鐘，我們?nèi)匀恍枰私夂芏唷Ｖ鲿r(shí)鐘神經(jīng)元和從時(shí)鐘神經(jīng)元的分層組織性質(zhì)導(dǎo)致普遍認(rèn)為它們共享相同的分子時(shí)鐘。同時(shí)，它們在調(diào)節(jié)身體節(jié)律方面所起的不同作用也提出了它們是否可能在不同的分子發(fā)條機(jī)制下發(fā)揮作用的問題。
(左)生物鐘作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，其中主起搏器和從屬振蕩器以分層方式組織。盡管它們通過 PER 蛋白的相同轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路 (TTFL) 產(chǎn)生節(jié)律，但它們之間生成的 PER 節(jié)律是不同的。(右)通過使用描述果蠅生物鐘(上)的 TTFL 的數(shù)學(xué)模型，我們確定了主時(shí)鐘神經(jīng)元和從時(shí)鐘神經(jīng)元(下)之間的差異。圖片來源：基礎(chǔ)科學(xué)研究所
在 Kim Jae Kyoung 和 Kim Eun Young 教授的帶領(lǐng)下，基礎(chǔ)科學(xué)研究所 (IBS) 和 Ajou 大學(xué)的研究人員結(jié)合使用果蠅的數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法來回答這個(gè)問題。研究小組發(fā)現(xiàn)，主時(shí)鐘和從時(shí)鐘通過不同的分子機(jī)制運(yùn)行。
在果蠅的主神經(jīng)元和從屬神經(jīng)元中，一種稱為 PER 的與晝夜節(jié)律相關(guān)的蛋白質(zhì)會根據(jù)一天中的時(shí)間以不同的速率產(chǎn)生和降解。此前，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在野生型和 Clk-Δ 突變果蠅中，主時(shí)鐘神經(jīng)元 (sLN v s) 和從時(shí)鐘神經(jīng)元 (DN1 ps) 具有不同的PER譜。這暗示主時(shí)鐘神經(jīng)元和從時(shí)鐘神經(jīng)元之間的分子時(shí)鐘系統(tǒng)可能存在潛在差異。
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