陳根：生物鐘，由什麼來驅動？_風聞

文/陳根

大多數生物都擁有一種特殊的內部時鐘，通過這樣自律的時間調節生命活動，這就是所謂的晝夜節律（Circadian rhythm），即機體適應外界環境中光-暗循環變化而建立的一種24 小時制的內源性節律。

晝夜節律大約以24小時為一個週期，控制機體一系列生物過程，包括激素分泌、代謝循環和免疫保護，同時誘導着我們充滿節奏的自然行為，如睡眠/喚醒週期、吃飯等。**基於此，晝夜節律也與人體健康息息相關，晝夜節律紊亂與脂肪肝、心臟病、2型糖尿病和慢性胃腸炎等疾病的發展有關，**它通過多器官串擾（腸-肝-腦軸等）影響身體的代謝和炎症反應。

其中，下丘腦視交叉上核(SCN)是哺乳動物腦內的晝夜節律起搏器，通常分為腹外側部分（核心區）和背內側部分（殼區）。核心區作為外部信息輸入的整合者，通過視網膜下丘腦束，接收來自光敏感視網膜神經節細胞(ipRGCs)的信息，傳遞至下游核團並設置相應的SCN神經元振盪相位。

不過，一直以來，科學家都不能確定是什麼驅動了晝夜節律的發生，基於此，在近期的一項研究中，來自日本岡崎的自然科學研究機構分子科學研究所的科學家分析了藍藻的複雜生理機制，試圖揭開是什麼驅動了藍藻的生物鐘。

研究團隊將研究重點轉向調節藍藻晝夜節律的生物時鐘蛋白KaiC。藍藻其實是一類能通過產氧光合作用獲取能量的革蘭氏陰性菌，又稱藍細菌，在幾乎所有類型的水體中都能存活，在土壤和岩石等環境中也有發現。

此前的研究已經證實，晝夜節律已經被“編碼”進了KaiC蛋白。就其組成部分的數量而言，藍藻的生物鐘是最簡單的生物鐘，但仍然是一個非常複雜的系統，可以為科學家提供所有生物鐘工作機制的線索。**在新研究中，科學家檢查了藍藻KaiC蛋白變構的結構基礎****後發現，**藍藻的生物鐘便是由變構作用所驅動的。  

具體來看，研究團隊通過篩選數千種結晶條件，研究了KaiC時鐘蛋白的原子結構。對原子結構的詳細研究使他們能夠掌握整個磷酸化循環，即磷酸鹽被轉移到蛋白質上的過程。與磷酸化循環共同發揮作用的是另一個反應循環——ATP（三磷酸腺苷）水解，後者是決定生物時鐘速率的能量消耗事件。

為了理解Ka iC蛋白變構的基礎，研究人員在8種不同狀態下使KaiC蛋白結晶，從而觀察到磷酸化循環和ATP水解循環之間的“合作”——就像兩個齒輪一樣。通過研究8種不同狀態下的KaiC蛋白，該團隊觀察到了磷循環和ATP酶水解循環中發生的耦合現象。這兩個循環的耦合驅動了藍藻的生物鐘。

正如研究人員所期望的那樣，這項研究有望幫助研究人員更好地理解晝夜節律時鐘週期的工作機制。展望未來，研究團隊認為他們的發現可以有更廣泛的應用。