Science子刊：首次在活體大腦中觀察基因表達

Science子刊：首次在活體大腦中觀察基因表達

2016年08月21日訊 麻省總醫(yī)院與哈佛醫(yī)學院的科學家們首次在活體人類大腦中完成了基因表達表觀遺傳調控成像，這一研究組利用正電子發(fā)射斷層掃描 （PET） 技術，并結合一種稱為 Martinostat 的成像探針。第一次向人們展示了在活躍的人腦中，組蛋白去乙酰化酶是如何工作的，進一步闡釋了活腦中的基因活性。

基因轉錄調控因子組蛋白去乙酰化酶（HDAC酶）在許多神經系統(tǒng)疾病，如老年癡呆癥病理過程中扮演了重要角色，這一研究組征集了8位健康志愿者，利用優(yōu)化過的PET成像技術對其成像，模擬了HDAC酶在不同時間里對大腦基因表達的調控。

“這是了解大腦中表觀遺傳過程的一個良好開端，”來自蘇黎世大學的Isabelle Mansuy說（他沒有參與這項研究）。

文章作者，麻省總醫(yī)院Jacob Hooker則表示，“我希望這些色彩斑斕的圖譜能幫助我們比對健康人與精神分裂癥、阿爾茨海默癥等疾病患者的大腦。

過去，人類大腦中的基因活性只能在死人中檢測到。不過由于死亡后的大腦組織通常存放超過12個小時，HDAC酶在人類死亡后會迅速發(fā)生變化，因此死人大腦中的基因活性與活體大腦中存在顯著差異。

這項研究通過7年時間在HDAC酶上捆綁了 Martinosatat化學混合物，并注入8個健康的人體內使用PET掃描，結果發(fā)現(xiàn)基因活力對環(huán)境的反應靈敏，對它的研究不能脫離自然環(huán)境，研究也指出死的大腦與活體大腦顯著不同。

“這項研究僅僅只是可以看到HDAC酶的工作機理，并不意味著我們了解了這些信號，” Hooker說，“最大的問題在于，我們能看到患者何時出現(xiàn)異常，但是仍不知道該怎么辦?！?/p>

基因表達簡介

基因表達是指細胞在生命過程中，把儲存在DNA順序中遺傳信息經過轉錄和翻譯，轉變成具有生物活性的蛋白質分子。生物體內的各種功能蛋白質和酶都是同相應的結構基因編碼的。差別基因表達指細胞分化過程中，奢侈基因按一定順序表達，表達的基因數(shù)約占基因總數(shù)的5%——10%。也就是說，某些特定奢侈基因表達的結果生成一種類型的分化細胞，另一組奢侈基因表達的結果導致出現(xiàn)另一類型的分化細胞，這就是基因的差別表達。其本質是開放某些基因，關閉某些基因，導致細胞的分化。

對生命而言神經和基因，哪個更重要？

我們常說生命的奧秘是遺傳秘碼，而執(zhí)行遺傳秘碼天書功能的單位卻是基因，英文稱Gene，基因是具有編碼蛋白質功能的一段核苷酸序列，基因有幾種不同的稱呼，按功能概念區(qū)分稱基因（Gene)；按基因在染色體的位置概念則稱為位點（locus);
按基因在人群中的差別則可稱之為等位體（Allele)。基因是生命體的基本功能單位，在人類染色體中3乘10的9次方（30億）個核苷酸序列中，只有少數(shù)核苷酸序列編碼是基因。
人類歷史上最大的科技項目-人類基因組項目（Human Genome
Project）就是為了解破生命的天書-基因的，這項耗資30億美元（實際的花費遠少于此數(shù)字），從1989到2001年歷時13年，吸引了世界上數(shù)百所大學，好幾萬科研人員的參與，最后終于在2001年由科技界和工業(yè)界同時發(fā)表結果，破譯了人類的基因天書測出了30億個核苷酸序列的排列順序。
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人類基因組里的基因總數(shù)到底有多少呢？這是一個大問題，很多科學家在人類基因組項目未完成之前的估計是10萬基因左右，在人類基因組項目完成后驚奇的發(fā)現(xiàn)其實人類基因只有20000-30000之間，至今最詳細精確的研究結果是21000個左右：
According to the study, published by Michele Clamp and colleagues at the
Broad Institute, human gene catalogue’s such as Ensembl, RefSeq, and Vega
include many open reading frames that are actually “random occurrences” rather
than protein-coding regions — a finding that cuts the number of protein-coding
genes in the genome to around 20,500.
（Reference: Distinguishing
protein-coding and noncoding genes in the human genome
Proc. Natl. Acad. Sci.
USA, PNAS December 4, 2007 vol. 104 no. 49 19428-19433）。
既然我們已經知道人類生命中只有區(qū)區(qū)21000左右基因，而人體內的蛋白質總數(shù)在10萬左右，那么許多基因不止只編碼一種蛋白質，許多基因可能協(xié)同作用來編碼不同的蛋白質。筆者從上研究生起就一直有有這樣一個問題，什么是機體里最重要的基因？！長期以來，沒有人愿意回答這個問題，也很難回答這個問題。原因也是眾所周知的，因為生命體是非常復雜的，機體是有系統(tǒng)，組織，器官，細胞和基因組成的，各個層次，各個結構之間都緊密相連，相互協(xié)同，相扶相成的。
歷史的來看，在好多人類基因組里的基因都是經過了長期，廣泛和細致的研究的，有很多是非常著名的，比如P53基因，P53基因能夠編碼一種分子量為53kDa的蛋白質，命名為P53。p53基因的失活對腫瘤形成起重要作用。P53基因與人類50%的腫瘤有關，目前發(fā)現(xiàn)的有肝癌、乳腺癌、膀胱癌、胃癌、結
腸癌、前列腺癌、軟組織肉瘤、卵巢癌、腦瘤、淋巴細胞腫瘤、食道癌、肺癌、成骨
肉瘤等等。P53基因是迄今發(fā)現(xiàn)與人類腫瘤相關性最高的基因，人們對P53基因的認識經歷了癌蛋白抗原，癌基因到抑癌基因的三個認識轉變，現(xiàn)已認識到，引起腫瘤形成或細胞轉化的P53蛋白是P53基因突變的產物，是一種腫瘤促進因子，它可以消除正常P53的功能，而野生型P53基因是一種抑癌基因，它的失活對腫瘤形成起重要作用.
其他很重要的基因比如轉化生長子（TGF-beta）基因，這也是個廣泛研究并發(fā)現(xiàn)是有一系列基因組成的超級家族，它是一個涉及包括發(fā)育、傷口愈合及細胞增殖和存活等諸多生物學過程的細胞外配體的大家族。由于這些蛋白質可以兼具促進生長和抑制生長的作用，因此人們認為它們既參與腫瘤的發(fā)生和轉移的過程又參與防止這些病理表現(xiàn)型出現(xiàn)的過程。
刺猬（Hedgehog)基因家族也是個非常重要的超級家族，刺猬基因家族的表達異常影響到生長發(fā)育，造成前腦無裂畸形等發(fā)育缺陷性疾病，對面部和神經系統(tǒng)的中線產生影響。表現(xiàn)為耳低位，雙側唇裂及腭裂、單中央門齒、缺陷性中央神經系統(tǒng)分隔,小頭、眼異常、眼間距縮短、智力發(fā)育遲緩、耳聾、驚厥及室間隔缺損，一些嚴重的病例甚至有單眼癥。此外，刺猬基因家族通路中某一部分發(fā)生突變，可以發(fā)生癌變。已知刺猬基因家族的病變能夠造成基底細胞癌綜合征、單發(fā)基底細胞癌、髓母細胞瘤、腦膜瘤、神經外胚瘤，乳腺癌、食管癌、鱗狀細胞癌和毛發(fā)上皮瘤等等。
很多基因對機體的影響不僅具有正反雙向功能，而且還不止作用于一個系統(tǒng)，有的基因參與機體的好幾個系統(tǒng)的病變，像Runx基因家族，Runx-1基因與兒童最常見的癌癥—急性淋巴細胞性白血病有關；Runx-2則參與調控成骨細胞分化和骨質形成及自身免疫?。籖unx-3與胃癌和直腸癌細胞的形成有關。
從功能方面，基因可以分類為很多基因家族，例如 腫瘤基因家族：p53, Rb, mTor, TGF-beta, WNT,
Hedgehog，，Runx，C-myc, Ras 等等。發(fā)育基因家族： FGF,TGF-beta, Wnt， Hedgehog，Notch1
等等。免疫基因家族： Ig家族，TNF,IFN, Foc-P3，PTPN22， IL家族，Th1，Th2和Th17細胞基因等等；炎癥基因家族：， TNF,
PTPN22，TGF-beta等等；干細胞基因家族： Oct-3/4, SOX2, c-Myc, and Klf4等等. 細胞調亡基因家族：
Caspase1-8，Bcl。。。等等 。
美國《時代》雜志在2007年評出了當年十大科學發(fā)現(xiàn), 其中的發(fā)現(xiàn)之一就是兩本權威期刊
《Cell》及《Science》在2007年11月20日同時刊出來自美國及日本兩個研究團隊的一項報告，證實皮膚細胞經過“基因直接重組(direct
reprogramming
)”后可以轉化成為具有胚胎干細胞特性的細胞。這項發(fā)現(xiàn)一方面解決了利用胚胎進行干細胞研究的道德爭議，另一方面也使得干細胞研究的來源更不受限。這兩個研究團對分屬于日本京都大學及美國威斯康辛大學麥迪遜分校的兩個團隊雖然獨立研究，但使用的方法幾乎完全相同，更巧合的是竟然同時分別被兩本期刊審核通過，證明基因直接重組技術的確有效。他們所使用的方式都是利用病毒將四個基因送入皮膚細胞，促使普通的皮膚細胞產生變化，最后成為帶有胚胎干細胞性質的細胞，稱為誘導式多能性干細胞
（iPS）。

在這兩個研究團隊中，日本京都大學山中伸彌（Shinya Yamanaka)發(fā)現(xiàn)只需要將四個基因 Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4
送入已分化完全的小鼠纖維母細胞，即可以把纖維母細胞重新設定變回具分會全能性的類胚胎干細胞”誘導式多能性干細胞” (induced pluripotent
stem cells, iPS cells)。而美國威斯康辛大學的湯姆森（James Thomson）研究團隊則利用了OCT4, SOX2, NANOG,
and LIN28四個核心基因，同樣也可以將人類體細胞重新設定變回干細胞，成為Ips 細胞。

既然生命體最初是從一個干細胞發(fā)育而成，干細胞的萬能分化和再生特又使干細胞具有特殊的重要意義，那么干細胞基因家族可是說是生物機體里最重要的基因家族了，因為干細胞具有再生和驚人的分化能力，是很多組織，器官和細胞的根源和起始。根據山中伸彌教授和湯姆森教授團隊的研究最初需要四個誘導式多能性干細胞核心基因Oct3/4,
Sox2, c-Myc, Klf4或者OCT4, SOX2, NANOG, LIN28。但是最近德國馬普研究所舒樂教授（Hans R.
Sch?ler）團隊發(fā)表在《Cell》上的文章把這項工作推向了更進一步，他們只用了一個基因OCT-4就成功的在體細胞中誘導出了多能性干細胞iPS！他們的論文摘要是這樣的：

The four transcription factors Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc can induce
pluripotency in mouse and human fibroblasts. We previously described direct
reprogramming of adult mouse neural stem cells (NSCs) by Oct4 and either Klf4 or
c-Myc. NSCs endogenously express Sox2, c-Myc, and Klf4 as well as several
intermediate reprogramming markers. Here we report that exogenous expression of
the germline-specific transcription factor Oct4 is sufficient to generate
pluripotent stem cells from adult mouse NSCs. These one-factor induced
pluripotent stem cells (1F iPS) are similar to embryonic stem cells in vitro and
in vivo. Not only can these cells can be efficiently differentiated into NSCs,
cardiomyocytes, and germ cells in vitro, but they are also capable of teratoma
formation and germline transmission in vivo. Our results demonstrate that Oct4
is required and sufficient to directly reprogram NSCs to pluripotency.
值得指出的是舒樂教授是在神經細胞中只用一個OCT4基因就誘導出了多能性干細胞，而神經細胞的分化和發(fā)育是所有組織細胞中很難的一類，這也從另一個方面說明了OCT4基因的重要性！OCT4是參與調控胚胎干細胞自我更新和維持其全能性的最為重要的轉錄因子之一，同時也是體外建立誘導多功能干細胞（iPS）的關鍵基因。
OCT4基因在干細胞的增殖、分化、應激反應、凋亡過程等多個生物學過程中發(fā)揮著重要作用。OCT4基因含有一種叫POU的功能區(qū)域，POU的意思是(Pit
Oct
Unc)，POU編碼的POU蛋白DNA結合蛋白，對維持細胞多能性有重要作用。相信對與OCT4的研究將會訊速展開，因為OCT4不只是一個干細胞的全能控制基因，也可以說是生命機體里最重要的一個基因，多年來困擾遺傳學家的疑問現(xiàn)在終于被細胞生物學家回答了！

10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達原理與應用

單細胞多組學ATAC+基因表達是10x Genomics推出的單細胞多組學解決方案，可以同時獲得同一細胞的基因表達和染色質可及性圖譜，從而更好地分辨終末分化細胞和發(fā)育軌跡上的細胞類型，揭示調控元件、開放染色質和基因表達之間復雜的相互作用。

一、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術原理

為同時獲得同一細胞的轉錄組和表觀組，10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術首先利用Tn5轉座酶對細胞核懸液進行核DNA轉座，Tn5轉座酶優(yōu)先切割開放染色質區(qū)域中的核DNA。然后利用Chromium平臺進行單細胞基因表達（GEX）和ATAC文庫制備，該過程將單個細胞核、反應試劑與單個凝膠珠（Gel Bead）包裹成液滴（GEM）。凝膠珠同時包括帶有特異性條形碼（10x Barcode）、唯一分子標識符（UMI）的poly(dT)序列和帶有10x Barcode的Spacer序列，poly(dT)序列能夠捕獲具有poly(dA)尾的mRNA用于生成基因表達（GEX）文庫，Spacer序列能夠將條形碼添加到轉座的DNA片段上生成ATAC文庫。對得到的兩種文庫進行測序，并將來自同一細胞兩種文庫的測序數(shù)據通過10x Barcode匹配，即可實現(xiàn)同時對同一細胞的轉錄組和表觀組進行關聯(lián)。

二、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術優(yōu)勢

1.一個細胞，兩種解讀

10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術可以充分利用樣品，從一個細胞中得到轉錄組和表觀組兩種信息，可以最大限度地獲取有限樣品的多層見解。

美國斯坦福大學醫(yī)學院利用10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術從來自同一患者的結直腸癌細胞系COLO320-DM（癌基因 MYC 在ecDNA上擴增）和COLO320-HSR（癌基因 MYC 在串聯(lián)染色體擴增子（HSRs）上擴增）的總共72,049個細胞中獲得了配對的轉錄組和染色質可及性圖譜。單細胞ATAC-seq和單細胞RNA-seq數(shù)據的細胞聚類顯示了COLO320-DM和COLO320-HSR細胞系的獨立聚類。相對于染色體HSR? MYC 擴增的COLO320-HSR，在ecDNA? MYC 擴增的COLO320-DM中RNA表達以及 MYC 的可及性評分是高度異質性的，表明調控元件的可變活性可以解釋細胞間致癌基因表達的差異。

2. 兩種聚類結果結合更精細鑒定細胞類型

10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術能夠同時利用轉錄組和表觀組兩套數(shù)據數(shù)據進行細胞聚類，更好的表征復雜細胞群的細胞異質性，發(fā)現(xiàn)隱藏的見解。此外，利用基因表達標記能夠更容易地解釋表觀遺傳特征。

麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的研究人員利用單細胞多組學ATAC+基因表達技術獲得了來自成年小鼠皮膚34,774個細胞的高質量表觀基因組和轉錄組圖譜，基于這兩種數(shù)據的分析發(fā)現(xiàn)，不僅可以區(qū)分不同譜系的細胞類型，還可以區(qū)分密切相關類型的細胞，例如αhigh CD 34+與αlow CD 34+?；赗NA的的細胞簇也可以通過染色質可及性特征來區(qū)分，進一步確認它們的身份，例如根據譜系決定因子的活性對聚類進行了注釋揭示了全轉錄激活因子Dlx3和Sox9以及阻遏物Zeb1和Sox5等。一些細胞狀態(tài)可以通過染色質或基因表達特征以更高的分辨率識別，例如根據聚類特征對細胞簇進行分組揭示了毛囊永久部分和再生部分之間更明顯的染色質可及性差異；相反對應顆粒層的細胞在基因表達水平上作為一個獨特的簇更容易區(qū)分。

3. 轉錄組和表觀組關聯(lián)發(fā)現(xiàn)新的基因調控作用

10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達技術能夠將調控元件與基因表達結合起來，探索驅動細胞分化，發(fā)育和疾病的基因調控相互作用。

華盛頓大學的研究人員將單細胞多組學ATAC+基因表達技術應用于8周齡雄性小鼠的腎臟組織，獲得了11,296個細胞的轉錄組和染色質可及性圖譜，并發(fā)現(xiàn)了1260個遠端位點與321個基因的關聯(lián)。44%的位點關聯(lián)到最近的TSS，21%則關聯(lián)到第二近的TSS。相關性最高的關聯(lián)在遠曲小管細胞標記基因 Slc12a3 和其TSS下游36 kb的位點之間，并與其最后一個外顯子重疊，該位點的可及性對遠曲小管細胞的特異性稍高。遠端順式調控元件和它們的靶基因之間的聯(lián)系對于解釋不同細胞類型的差異表達是有用的。例如， Slc6a 18 （2型近端小管S3細胞的標志基因）的細胞類型特異性表達并不通過細胞類型特異性啟動子可及性來反映，它的TSS與16 kb以外的一個位點相關，該位點的可及性與 Slc6a18 表達相關。

三、 10x Genomics單細胞多組學ATAC+基因表達應用領域

由于單一組學的局限性，單細胞ATAC-seq測序技術出現(xiàn)之后不久，單細胞ATAC-seq與單細胞RNA-seq兩種技術同時應用的策略便被采用。目前，這種策略已經已被大量應用于器官發(fā)育、疾病和癌癥發(fā)生機制研究等不同領域，累計發(fā)表文章將近50篇。而直接利用單細胞多組學ATAC+基因表達技術進行同一細胞轉錄組和表觀組的方法也已被應用于新生和成年小鼠大腦皮層、塞米松治療的肺癌細胞、小鼠腎臟、小鼠胚胎發(fā)育階段的前腦和小鼠皮膚等組織。2020年12月，首個利用10x Genomics單細胞ATAC+基因表達技術研究ecDNA中樞驅動分子間協(xié)同癌基因表達的研究也被報道。

1. 案例：單細胞多組學ATAC+基因表達分析揭示小鼠皮膚譜系決定機制

發(fā)表時間：2020年11月

發(fā)表單位：麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所等

發(fā)表期刊：Cell

影響因子：38.637

1） 研究背景

細胞分化和功能在基因調控的多個層面上受到調控，包括通過染色質可及性的變化來調控基因表達。然而，分化是一個異步過程，妨礙了現(xiàn)在對導致細胞命運決定調控事件的理解。

2） 材料方法

單細胞多組學ATAC+基因表達技術（SHARE-seq），小鼠皮膚、肺和腦組織。

3） 研究結果

a. 多組學分析不僅可以區(qū)分不同譜系的細胞類型，還可以區(qū)分密切相關類型的細胞；基于RNA的細胞簇也可以通過染色質可及性特征進一步確認身份；一些細胞狀態(tài)可以通過染色質或基因表達特征以更高的分辨率識別。

b. 在成年小鼠皮膚中鑒定出63,110個peak-gene關聯(lián)，少數(shù)單個峰與4個或更多基因相關。高peak-gene相關的調控染色質區(qū)域（DORC）與超級增強子重疊。

c. DORC與已知的跨譜系決定關鍵調控基因強烈富集。即使在密切相關的細胞群之間DORCs也存在顯著差異，表明DORCs具有高度的細胞類型特異性。

d. DORCs通常在其相關基因表達開始前變得可及，這與譜系啟動一致。增強子激活預示靶基因表達的長期假設，并暗示染色質可及性是譜系啟動的標志。

e. 染色質可及性的全基因組變化反映了譜系啟動的細胞狀態(tài)，染色質潛力可能在比RNA速度更大的時間尺度上預測未來的細胞狀態(tài)，特別是在分化期間。

參考文獻：

1. King L. Hung, Kathryn E. Yost,Liangqi Xie, et al. EcDNA hubs drive cooperative intermolecular oncogene expression.[J].bioRxiv, 2020.11.19.390278.

2. Ma Sai, Zhang Bing, LaFaveLindsay M et al. Chromatin potential identified by shared single-cell profiling of RNA and chromatin.[J] .Cell, 2020, 183: 1103-1116.e20.

3. Cao Junyue, Cusanovich DarrenA, Ramani Vijay et al. Joint profiling of chromatin accessibility and gene expression in thousands of single cells.[J] .Science, 2018, 361: 1380-1385.

CRISPR/Cas9在研究基因功能中的應用是怎樣的？

基因敲除動物模型一直以來是在活體動物上開展基因功能研究、尋找合適藥物作用靶標的重要工具。但是傳統(tǒng)的基因敲除方法需要通過復雜的打靶載體構建、ES細胞篩選、嵌合體小鼠選育等一系列步驟，不僅流程繁瑣、對技術的要求很高，而且費用大，耗時較長，成功率受到多方面因素的限制。即使對于技術比較成熟的實驗室，利用傳統(tǒng)技術構建基因敲除大、小鼠一般也需要一年以上。[3]
2013 年 1 月份，美國兩個實驗室在《Science》雜志發(fā)表了基于 CRISPR-Cas9 技術在細胞系中進行基因敲除的新方法，該技術與以往的技術不同，是利用靶點特異性的 RNA 將 Cas9 核酸酶帶到基因組上的具體靶點，從而對特定基因位點進行切割導致突變。該技術迅速被運用到基因敲除小鼠和大鼠動物模型的構建之中。通過一系列研究，首先證明了通過 RNA 注射的方式將 CRISPR-Cas 系統(tǒng)導入小鼠受精卵比 DNA 注射能更有效的在胚胎中產生定點突變。在此基礎上，又發(fā)現(xiàn)了該方法沒有小鼠遺傳品系的限制，能夠對大片段的基因組 DNA 進行刪除，也可以通過同時注射針對不同基因的 RNA 序列達到在同一只小鼠或大鼠中產生多個基因突變的效果。此外，還證明了利用 CRISPR-Cas 技術構建的基因敲除大鼠模型與傳統(tǒng)方法構建的同一基因（肥胖相關 G 蛋白偶聯(lián)受體 Mc4R）突變大鼠相比具有一致的表型。該方法構建的基因突變動物具有顯著高于傳統(tǒng)方法的生殖系轉移能力，是一種可靠、高效、快速的構建敲除動物模型的新方法。[3]

超3億國人睡眠障礙，睡夠8小時就可以（全國超三億人存在睡眠障礙）

1月31日，來自微博熱搜疫情導致整體入睡時間延遲2-3小時，我國當下超3億人存在睡眠障礙，而有人睡夠8小時，卻還是昏昏沉沉？其實，說到底這些都與晝夜節(jié)律有關。晝夜節(jié)律是以24小時為周期的一種天然、內部過程，其調節(jié)睡眠-覺醒周期，是生物內部時鐘的一部分，也就是人們口中常說的人類生物鐘。
人類最早認識到的生物鐘現(xiàn)象是人自身的周期性變化以及植物的葉和花的朝夕節(jié)奏性變化。全世界首先用科學的方法來研究生物節(jié)奏的是18世紀的法國天文學家讓·雅克·道托思·麥蘭，他在研究地球運轉的同時注意到含羞草在白天時葉是張開的，但到了晚上就閉合了。
此前，關于生物以晝夜節(jié)律適應其生理和行為的觀察已早有相關報道，但是對于人體受外部刺激的反應，還是體內真的有個生物鐘？科學界還是一片茫然。
近代對生物鐘的廣泛和深入的研究是從20世紀中期開始，德國生物學家歐文·本林、尤金·沃爾特·路德維格·阿紹夫和美國生物學家科林·皮登覺被認為是生物鐘研究領域的創(chuàng)始人。本林研究的是植物的葉閉合活動的生物鐘行為；阿紹夫研究的是人的體溫、活動等和鳥類的一些生物鐘行為；而皮登覺研究的則是果蠅運動的生物鐘行為。
1971年，現(xiàn)代神經遺傳學之父SeymourBenzer和RonaldKonopka發(fā)現(xiàn)果蠅的突變體，這些突變體在正常的24h周期內表現(xiàn)出幼蟲運動活動的改變。這些突變涉及同一個控制生命體晝夜節(jié)律的基因，后來被命名為period。雖然果蠅看起來可能與人類完全不同，但其控制睡眠-覺醒周期的神經元與人類的驚人相似，果蠅中的晝夜節(jié)律時鐘分子機制是由互鎖的轉錄反饋環(huán)組成的，它會產生接近24小時的振蕩，與哺乳動物的分子晝夜節(jié)律機制呈現(xiàn)同源的成分，因此它們的機制可以運用在低、高級哺乳動物中，包括人類。
此后，三位美國遺傳學家JeffreyC.Hall、MichaelRosbash和MichaelW.Young，成功分離出了period基因，及其編碼的蛋白質——PER，PER蛋白水平在24小時內有節(jié)奏地起伏變化，夜間累積，白天降解，與晝夜節(jié)律同步，這就解釋了“生物鐘”的作用機制。2017年，三位科學家被授予諾貝爾生理學及醫(yī)學獎。諾貝爾評審委員評價他們的工作“解釋了植物、動物和人類如何通過調節(jié)生物節(jié)律，與地球旋轉實現(xiàn)同步”。
24小時波動中所發(fā)生的連續(xù)事件，當period基因處于活性狀態(tài)時，就會合成period的mRNA，隨后mRNA就會被運輸?shù)郊毎募毎|中并且作為PER蛋白產生的末端。PER蛋白在細胞核中會進行積累，此時period基因的活性就會被阻斷，這就會產生一種晝夜節(jié)律背后的抑制反饋回路機制。
早在兩千多年前，中醫(yī)經典著作《黃帝內經》就詳細講解了人體的生理現(xiàn)象和晝夜節(jié)律的關系。古人講究日出而作，日落而息，順應天時生活。中醫(yī)“子午流注”理論認為，太陽與地球的變化，使人體的臟腑在一天12時辰產生不同的變化。每一個時辰都有一個臟腑“值班”。因此中醫(yī)講究順應時辰變化來保養(yǎng)相應的臟腑，并配合臟腑的運行來治相關的疾病。
生物鐘對于人類健康的重要性不言而喻。2020年10月，美國Fralin生物醫(yī)學研究所和阿根廷國立大學團隊發(fā)現(xiàn)慢性晝夜節(jié)律紊亂會改變腫瘤細胞周圍的微環(huán)境，使其對腫瘤的生長更有利，也阻礙了人體的自然免疫防御，并將結果發(fā)表在《科學進展》上。
研究結果表明，晝夜節(jié)律紊亂可能通過調節(jié)免疫反應和細胞周期調節(jié)因子促進腫瘤生長。具體而言，脾臟和腫瘤中免疫反應的晝夜模式，在晝夜節(jié)律失調下，特別是親炎性和抗炎性巨噬細胞的百分比下降。在慢性節(jié)律紊亂下觀察到的M1細胞的減少將使平衡向更多的耐受性免疫特征傾斜，從而促進腫瘤的逃逸和腫瘤的進展。
該研究主要作者，F(xiàn)ralin生物醫(yī)學研究所分子診斷實驗室主任Finkielstein表示，這項研究的主要結論是，如果某人患有增生性疾病，輪班工作或定期改變時區(qū)，可能會更加抑制免疫系統(tǒng)，讓腫瘤生長加劇。此外，該研究也有助于解釋為什么當一個人長期暴露在環(huán)境和人體生物鐘錯位的壓力條件下，腫瘤會增長的情況。
近期，羅徹斯特大學醫(yī)學中心團隊在《自然通訊》上發(fā)表了一項新的研究，概述了大腦自身的廢物清除過程——大腦淋巴系統(tǒng)是如何與調節(jié)人體睡眠--覺醒周期的晝夜節(jié)律保持同步的。結果表明，淋巴系統(tǒng)的功能不僅僅取決于睡眠或清醒，還取決于生物鐘所規(guī)定的晝夜節(jié)律，白天睡覺的人患神經系統(tǒng)疾病的風險更大。
研究人員認為，急性睡眠剝奪會損害認知功能，并且睡眠中斷通常與神經退行性疾病有關。大腦淋巴系統(tǒng)是一個網狀的液體系統(tǒng)，流通著淋巴液，并通過腦組織泵送腦脊液，從而沖走廢物。睡眠中斷會導致淋巴系統(tǒng)崩潰，并使有毒蛋白質在大腦中積聚，從而可能引起多種神經退行性疾病，例如阿爾茨海默氏病。
該研究的第一作者，URMC轉化神經醫(yī)學中心研究助理教授LaurenHablitz博士表示，該發(fā)現(xiàn)表明，白天依靠小睡來補眠，或上夜班的人可能會更容易患上神經系統(tǒng)疾病，盡管在晝夜節(jié)律紊亂的模型中尚需研究淋巴功能，但目前已經確定，輪班工作人員患神經退行性疾病，心血管疾病的風險增加，并且還表現(xiàn)出全身性炎癥指標增加。
1月29日，一篇發(fā)表在《科學報告》的研究顯示，口腔微生物和唾液細胞因子豐度也與生物鐘有關。研究人員從唾液樣本獲得的口腔微生物組的門的相對豐度和屬水平的變化。該研究的主要門類包括放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、梭桿菌門和變形桿菌。厚壁菌和梭桿菌相對豐度沒有出現(xiàn)晝夜變化；然而，與清醒時的相對豐度相比，除了清醒后30分鐘，放線菌的相對豐度顯著增加，而擬桿菌的相對豐度顯著減少；變形桿菌的相對豐度在醒后6和9小時顯著增加，臨近睡眠時有所下降。
許多研究都證明了有關生物鐘紊亂導致一系列健康問題，然而2019年，發(fā)表在《細胞》子刊CellReports上的一篇研究顛覆了普通認知。
在該研究中，西北大學Weinberg藝術與科學學院神經生物學的研究人員在亨廷頓病果蠅模型中誘導生物鐘產生時差反應，發(fā)現(xiàn)時差反應保護了果蠅的神經元。隨后，研究小組發(fā)現(xiàn)并測試了一種生物鐘控制的基因hop，該基因在被敲出后還能保護大腦免受疾病的侵害。該研究揭示了潛在的可以減緩神經退行性疾病的進展或預防神經退行性疾病的新療法。
該研究的主要作者，西北大學生物學系主任RaviAllada表示，盡管有悖直覺，但是研究發(fā)現(xiàn)對人體晝夜節(jié)律的一點壓力可以保護大腦免受神經退行性疾病的侵害。
總之，晝夜節(jié)律是內置在我們體內的、經歷了成千上萬年進化后的產物，我們無法擺脫晝夜節(jié)律，但是人類的進化并沒有考慮到夜班、夜間的燈光和夜晚旅行等因素，熬夜、晚睡、輪班等現(xiàn)代生活方式已經對我們的健康構成了直接威脅。
希望我們可以在盡可能的情況下，遵循晝夜節(jié)律，從現(xiàn)在開始，早睡早起，好好生活。

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