打开手表内部,就会发现“计时”其实是挺复杂的一件事——需要通过零件精确的重复运动产生动力,秒针推动分针,分针再推动时针一级一级向前,周而复始。生物钟则更为复杂,由一系列基因和转录因子去调控、平衡一系列的生理系统的节奏。不同于手表,生物钟没有“可读性”,这也成为研究生物钟的一个主要障碍,增加研究个体的最佳给药时间,也就是"时间治疗学(Chronotherapy)"的难度。
日本RIKEN发育生物学中心的Hiroki R. Ueda和同事提供证据表明,在未来的某一天,显示一个人的生物钟是可能的。文章发表在8月份的Proceedings of the National Academy of Sciences上,介绍了在小鼠中超过100个与生物钟有关的基因的表达情况分析。这个在全基因组范围中进行的研究使得作者可以绘制出“分子时刻表”("molecular timetable" ),通过分析某一时刻的基因表达模式,就可以准确表示动物的生物钟状态。
多数基因的表达水平基于24小时一天的周期上下波动,就是所谓的生理节律(circadian rhythmicity)。Ueda 等人首先鉴别了那些周期变化幅度大的基因,这些基因表达周期和是否接触光照无关——即使一直处于黑暗中,这些基因的表达依然报保持原来的变化幅度和周期频率。在小鼠的肝脏中研究人员找到168个符合这个标准的基因,并研究了这些基因表达的内在时间和外在时间,结果表明,这些基因表达的高峰期可以排列成一个列表——有的在黎明,有的在黄昏,有的在其他时间,——可以作为生物钟的计时标志。
通过描绘一系列可以指示时间的基因在24小时周期中的表达情况,Ueda发现可以用这些数据来精确表示个体的生物钟。为检测这个“分子时钟”的精确性,研究人员研究了动物在12小时光亮—黑暗交替周期中,在没有光线的情况下这168个基因的表达水平。据信是测量生理周期活性的最佳时候。小鼠的生理周期比24小时短,黑暗可以诱导重置生物钟。在这个标准下评估表达水平计算的生物钟时间精确度为1小时之内。结果表明,分子时刻表不受环境噪音(例如这里的光线)的影响。
在小鼠中进行的另一个实验是Clock基因的突变纯合子——这个基因的丧失导致内在生理节奏的紊乱。研究人员发现这种Clock/Clock突变纯合子的表达节奏都被破坏,这提示分子时刻表同样有助于诊断周期节律病。在不同遗传背景的小鼠中都重复证实了这个结果,从理论上说这个方法可以用于研究所有生物的生物钟。在果蝇野生型和Clock突变型的研究也显示同样的结果。
这个方法可以在广泛应用,特异灵敏准确的检测个体的生物钟,以及诊断节律毛病,代表这在实现科学家梦寐以求的“可读”生物钟上前进了一大步。这个方法在医学上应用有一天将指导不同个体的最佳给药时间,将有助于提高药效和减少副作用。