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2017年諾貝爾醫學獎》找出生物生理時鐘的振盪器 有助於解決晝夜混亂的睡眠問題

風傳媒 標誌 風傳媒 2017/10/3
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無論是人類、鳥獸、昆蟲、植物,地球上的生命普遍擁有一套內置的時鐘,以24小時為周期調節生理活動,適應地球的自轉與晝夜變化。獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家,從分子的角度揭示生理時鐘「滴答」走動的方式。

向日葵在太陽尚未升起時已經朝向東方,人在亮如白晝的辦公室待到半夜照樣想睡,生物的自然節律並不依賴外界刺激,而是由內在機制掌控。鐘表的核心零件是振蕩器,例如鐘擺與石英電路,它們產生穩定的周期性振動。那麼生物的這種振蕩器是什麼?

人們很早就發現生物節律特徵可以遺傳,隨著分子生物學發展,科學界逐漸提出「生物生理時鐘基因」的設想。1970年代,美國加州理工學院(California Institute of Technology)的西摩.班澤(Seymour Benzer)與羅納德.科諾普卡(Ronald Konopka)用果蠅做實驗,篩選相關的基因突變。

果蠅的破蛹羽化有特定節律,野生品種只在一天的特定時刻破蛹而出,周期是24小時。科諾普卡等人培養並篩選了周期更長或更短、甚至沒有周期的果蠅,發現它們在基因組的同一區域發生突變,藉此定位了生物生理時鐘基因,命名為「周期」基因(period gene)。但受限於當時的技術發展水準,人們無法弄清這個基因的代碼序列,因為複製果蠅的技術於1970年代晚期才出現。

諾貝爾官網新聞稿對「晝夜節律」的圖示。(諾貝爾獎官網新聞稿) © 由 風傳媒 提供 諾貝爾官網新聞稿對「晝夜節律」的圖示。(諾貝爾獎官網新聞稿)
諾貝爾官網新聞稿對「晝夜節律」的圖示。(諾貝爾獎官網新聞稿)

1984年,3名美國科學家,霍爾(Jeffrey C. Hall)、羅斯巴赫(Michael Rosbash)、楊格(Michael W. Young)複製出「周期」基因,並把它編碼的蛋白質命名為「PER」。他們發現,果蠅體內的PER蛋白質濃度有規律地變動,振蕩周期正是24小時。至此,人們找到了生物生理時鐘的「振蕩器」,接下來就是弄清其運作原理。

霍爾和羅斯巴赫提出了「負反饋」(negative feedback)機制:PER蛋白質濃度上升會抑制周期基因的活動,阻止基因製造出更多的PER蛋白質。

抑制基因活動必須在細胞核裡進行,但PER蛋白質無法進入細胞核,需要另一種蛋白質的協助,即楊格在1994年發現的生物節律基因,其編碼的蛋白質被稱為TIM。PER蛋白質濃度比較高時,能與TIM蛋白質結合,從而獲得進入細胞核的「通行證」。

科學家之後還發現了其他幾個相關基因與PER蛋白質的分解、周期基因的啟動等相關,與前兩種基因共同構成「轉錄翻譯反饋回路」(TTFL),這就是果蠅生理時鐘的核心振蕩機制。

如果把PER蛋白質比喻成金錢、周期基因的運作比喻成勞動,那麼TIM蛋白質就可以比喻成消費欲望,其他基因分別是消費行為與工作動力等,整個振蕩過程可以想像成上班族拿到薪水又花掉薪水的周期性變動。

時隔30多年後,霍爾、羅斯巴赫、楊格因為這項研究發現最終摘下諾貝爾獎。霍爾獲獎後接受採訪時表示,弄清這個機制有助於解決晝夜節律混亂導致的睡眠問題。

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