（理论物理专业论文）生物钟基因调节网络随机涨落诱导的节律振荡研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 s m o l e n 等人于2 0 0 2 年提出了果蝇时钟蛋白节律振荡的基因调节网络两变 量模型。作为节律振荡重要的控制园子，光通过提高磷酸化的t i m 蛋白的 衰减控制着时钟基因的表达和果蝇的昼夜节律振荡。我们把光噪声引入到 该确定性模型里，得到了果蝇节律振荡的随机动力学模型。利用朗之万方 程( l a n g e v i ne q u a t i o n ) ，我们首先研究了光噪声对于时钟蛋白昼夜节律振荡 的影响。当光控参数超过分岔点略微远离振荡区域时，我们发现光的涨落可 以诱导时钟蛋白昼夜节律振荡，并称之为超阈值的昼夜节律振荡：当光噪声 的强度较大或者较小时，昼夜振荡的节律性并不明显；当光噪声强度取适当 大小时，可以看到光噪声诱导的随机振荡具有明显的昼夜节律性。在某个噪 声强度下出现了这种相干的昼夜节律振荡，由于它是一个被噪声优化的生物 昼夜振荡，所以反映了生物系统的一种重要的相干共振现象，信噪比和特征 关联时间的计算结果都确认了我们的结论。结论表明了光的涨落在果蝇的昼 夜节律振荡中起着积极的作用。同时我们发现时间延迟可以控制相干共振的 强度，在适当的时间延迟下，时钟蛋白昼夜节律振荡的相干性可以达到最 大。 其次，我们单独研究了分子噪声对于昼夜振荡子模型的影响。由于基因 调节网络中的分子数目很少，所以分子数目的涨落对于昼夜节律振荡模型是 重要的。为了 卉计分子噪声影响，我们把确定性模型分解为基本的反应项， 通过g i l l e s p i e 介绍的算法来进行分子噪声的随机模拟。我们发现分子噪声同样 可以诱导超阈值的昼夜节律振荡，并且诱导的昼夜振荡非常稳固，表现为基 因调节网络中时钟蛋白质分子数目只有数十个时，系统仍然产生了较明显的 昼夜节律振荡。 噪声诱导的时钟蛋白昼夜节律振荡显示了噪声可以引导一个非线性系统 硕士学位论文 m a s l i e r st h e s i s 的有序，从而在细胞水平发挥积极的作用。这对于生物时钟保持稳固的昼夜 振荡，从而进一步精确的控制代谢和行为上的节律活动起着重要的作用。这 些基因开关的控制参数d 或者d 。，即波动的强度或是光控参数，可以作为基 因药理学研究的靶参量。通过对这些参数的控制来达到特定的治疗目的，比 如生理性紊乱的治疗。 关键词：生物钟：昼夜节律振荡；超阈值：光噪声；时间延迟：分子噪 声：相干共振；稳固性 硕士学位论文 m a sf e r 。st h e s i s a b s t r a c t s m o l e ne ta 1 h a v ep r o p o s e dar e d u c e dc i r c a d i a no s c i l l a t o rm o d e li n c l u d i n g t w ov a r i a b l e si ng e n er e g u l a t i o nn e t w o r ko fd r o s o p h i l a b i o p h y s 。j 8 3 ，2 3 4 9 ( 2 0 0 2 ) a sa ni m p o r t a n tc o n t r o le l e m e n tf o rc i r c a d i a no s c i l l a t o r ，l i g h tc o n t r o l s c i r c a d i a nr h y t h m so fd r o s o p h i l ab ye n h a n c i n gt h ed e g r a d a t i o no fp h o s p h o r y l a t e dt im w ei n t r o d u c et h ef l u c t u a t i o no fl i g h ti n t ot h i sd e t e r m i n i s t i cm o d e l a n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo fl i g h tn o i s eo nc i r c a d i a no s c i l l a t o rm o d e lb yu s i n g l a n g e v i ne q u a t i o n sf i r s t l y w h e nt h el i g h t c o n t r o l l e dp a r a m e t e r i ss l l l g h t l yb e - y o n dt h eb i f u r c a t i o np o i n ta n ds y s t e m i sas t a b l es t e a d ys t a t e i ti sf o u n dt h a t t h ec i r c a d i a no s c i l l a t i o n sc a nb ei n d u c e db yt h el i g h tf l u c t u a t i o n f o rt h es m a l l a n d l a r g en o i s ei n t e n s i t i e s ，t h er h y t h m i c i t yo fs u p r a - t h r e s h o l dc i r c a d i a n o s c i l l a - t i o n si n d u c e db yt h e l i g h tf l u c t u a t i o ni sa n c o n s p i c u o u s ，f o r t h em o d e r a t en o i s e i n t e n s i t y lh o w e v e r ，t h ec i r c a d i a no s c i l l a t i o n sa r ec l e a r l yo b s e r v e d t h e r ei sa n o p t i m a ll i g h tn o i s ei n t e n s i t ya tw h i c har e m a r k a b l ec i r c a d i a nc o h e r e n to s c i l l a - t i o ni so b s e r v e d ，w h i c hi m p l i e sas i g n i f i c a n tr e s o n a n c ep h e n o m e n o ni nt h es e n s e o fp r e f e r r e db i o l o g i c a lc i r c a d i a no s c i l l a t i o n s ，w h i c hi st h ew e l lk n o w nc o h e r e n c e r e s o n a n c e t h es i g n a l t o n o i s er a t i oa n dc h a r a c t e r i s t i cc o r r e l a t i o nb o t hc o n f i r m o l l rr e s u l t t h i sr e s u l ts h o w st h a tt h el i g h tf l u c t u a t i o np l a y sac o n s t r u c t i v er o l e i nt h ed r o s o p h i l ac i r c a d i a no s c i l l a t i o n s t i m ed e l a yc a nc o n t r o lt h ec o h e r e n c e o fn o i s e - i n d u c e dc i r c a d i a no s c i l l a t i o n sa n dt h es t r e n 【g t ho fc o h e r e n tr e s o n a n c e a c h i e v e sam a x i m u mu n d e ram o d e r a t et i m ed e l a y s e c o n d l yw es t u d yt h ei n f l u e n c eo f m o l e c u a rf l u c t u a t i o n so nc i r c a d i a no s c i l l a t o rm o d e l t h em o l e c u l a rf l u c t u a t i o n sb e c o m e i m p o r t a n tb e c a u s e o ft h el o w n u m b e ro fm o l e c u l e si n v o l v e di ns n c hg e n e t i cr e g u l a t o r yn e t w o r k s t oa s s e s s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t h ee f f e c to fm o l e c u l a rn o i s e w ep e r f o r ms t o c h a s t i cs i m u l a t i o n sb yg i l l e s p i e s a l g o r i t h ma f t e rd e c o m p o s i n gt h ed e t e r m i n i s t i cm o d e l i n t oe l e m e n t a r yr e a c t i o n s t e p s w ef i n dm o l e c u l a rn o i s ec a r l a l s oi n d n c es u p r a t h r e s h o l dc i r c a d i a 3 _ 1o s - d i l a t i o n s b e c a u s et h ec i r c a d i a no s c i l l a t i o n sc a no c c u ra l r e a d yw i t hal i m i t e d n u m b e rp r o t e i nm o l e c u l e s ，i nt h er a n g eo ft e n s ，t h es u p r a - t h r e s h o l dc i r c a d i a n o s c i l l a t i o n sa r ev e r yr o b u s t n o i s ei n d u c i n gt h ec i r c a d i a no s c i l l a t i o n ss h o w sn o i s e sc a ni n d u c ei n t e r n a l o r d e ro fan o n l i n e a rs y s t e ma 4 3 dp l a yc o n s t r u c t i v er o l ea tt h ec e l l u l a rl e v e l j t i sv e r yi m p o r t a n tf o rt h eb i o l o g i c a lc l o c kt om a i n t a i nr o b u s tc i r c a d i a no s c i l l a - t i o n sa n df u r t h e r m o r ec o n t r o lt h er 1 1 y t h m i cm e t a b o l i s ma n db e h a v i o ra c c u r a t e l y ， t h o s ep a r a m e t e r ss u c ha sda n dk d pm a yp r o v i d et a r g e t sf o rp h a r m a c o l o g i c a l i n t e r v e n t i o n a n ds o m es p e c i a lp u r p o s e so fg e n et h e r a p y , s u c ha st h et r e a t m e n t o fp h y s i o l o g i c a ld i s o r d e r m a yb er e a c h e db yt h ec o n t r o lo fs u c hp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：b i o l o g i c a l c l o c k ：c i r c a d i a no s c i l l a t i o n ：s u p r a - t h r e s h o l d ；l i g h t n o i s e ；t i m ed e l a y ；m o l e c u l a rn o i s e ；c o h e r e n tr e s o n a n c e ；r o b u s t n e s s 硕士学位论文 m a s l 、e r 、s 厂i f e s 【s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：钐塌日期：2 嚆年6 月2 - f ：i = i 学位论文使用授权说明 本人完全了解华中师范大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：修u 日期：么箨钿u 硕士学位论文 m a s t e r lst f i e s i s 第一章引言 生物节律广泛存在于生物界，从某些原核单细胞有机体、低等生物、高 等动植物直至人类的生命活动都是在生物钟控制下进行的f 1 1 。生物节律普遍 存在于生物的各级水平，是生命科学的重大基础理论问题。2 0 世纪中叶，科 学家开始把这种生物节律比作钟表，“生物钟”概念被正式提了出来。近十 余年来，由于时钟基因分离、鉴定并克隆成功，时钟基因活动规律开始被揭 示，标志着在分子水平卜阐明生物钟机制的研究取得重大进展。 昼夜系统由一系列时钟基因及其编码的时钟蛋白质组成，彼此相互作 用，构成一个或多个反馈回路，以接近于2 4 d , 时( 埘的周期进行昼夜节律振 荡【2 7 】。光受体接受光一暗周期信号，经输入系统到达振荡器，再通过输出 系统的基因及钟控基因，将母钟节律振荡信号，经体液和神经途径送达效应 器，调节其生理、生化和行为的昼夜节律并与环境周期保持同步，这是不同 种类生物的生物钟运作的普遍分子机制。 在应用方面，生物钟时钟基因的研究有助于对遗传性疾病的了解。生物 时钟基因运作机制的深入研究，对揭示生命节律性活动有重要意义，可为医 疗保健和农牧业生产实践提供新的理论依据。 1 1生物钟基因调节网络噪声存在的实验研究 实验表明无论是在原核生物还是在真核生物里，基因转录和翻译的调节 过程中存在着大量的随机性【8 9 。通过对单个细胞的基因表达的观察和分析 十分清晰的证实了转录和翻译过程的随机本质。e l o w i t z 和他的合作者【1 0 构 建了埃希氏大肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 的菌株来探测和区分外部噪声和内部噪 声两部分的效益。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ：3 p 立 2i 皿d m r n a d n a 曲 孰 0 丑 i i 1 0 0 5 0 0 c 卫厶谚 上盐西 一- = 一 溺 t t i m e ( h ) 击州蝴尚 塾lb ：1 0 叫v 。1 1 f 酽相犷硎v 1 一 j 9 一 b = l 儿“ 。r 。m ，k f 。”w w 1 州7 图1 1 ：( a ) 基因的转录和翻译过程：( b ) 蛋白质的数目较低时，蛋白质随着时间的演化 方式是爆发式的；( c ) 蛋白质数目的统计呈高斯分布。实验表明蛋白质的演化具有很 强的随机性。 最近，一些研究生命体细胞的实验表明由于外界的刺激信号所引起的基 因转录的开始是一个随机过程，基因转录受到了其他转录因子的影响。因 此，d n a 断上的提升子的状态就决定了基因转录开始或是停止，转录水平提 高或是抑制。研究表明信使r n a 的产生是局量子的f l l l ，并且是以一种随机 脉冲的形式产生的 1 2 - 1 3 1 。 目前的一种观点是当细胞中某种蛋白质水平较低时，单纯的研究这种蛋 白质的浓度的演变，会发现蛋白质的浓度在时间演化步长上是呈爆发型增加 的( 如图1 1 ) 。它不是连续变化的，具有极强的随机性f 14 1 。研究表明：在相同 的初始条件下，调节网络的随时行为的结果仍然会定性的产生不同。一个典 2 型的例子是受a 噬菌体传染的埃希氏大肠杆菌在溶原化和溶解化两种发展途径 之间的转换。由于存在的噪声，调节网络将会随机的演化到两个稳态之中的 一个【15 1 6 o 还有实验迹象表明基因表达的染色质调节是随机的 1 7 4 s ；在黑素变异 过程中的基因表达的开始和失活也是个随机机n a 9 1 。而在基因环的设计研 究工作( 设计一段基因转录的功能效果类似于谐振子或阻尼振子) 中存在着很 强的随机效果 2 0 2 1 1 。 在生物钟系统中，h o r n s t e i n 研究了光照的量子噪声和固有的神经噪声对 于光受体性质的影响f 2 2 1 ；对于自然界的浮游生物群落，大量研究都在努力解 释浮游生物共存的生理机制，最近的实验研究f 2 3 1 发现了光照强度随着时间 和空间的不同具有涨落，涨落的光照强度影响着浮游生物的集聚或者分离， 是浮游生物之间竞争性排斥或者共存的一个主要推动力。 生物学家对果蝇的光受体的随机性也进行过大量研究 2 4 1 。光受体具有光 敏感和光依赖的离子通道，可以通过膜电压与具有电压敏感的离子之间发生 反馈，比如光引导的电流在两种离子通道之间的反馈。光受体被认为由一系 列离散的势j l ( b u m p ) 组成，在稳定的光照下，稳定的受体势阱与伴随的电压 涨落可以在细胞问记录下来，这种h u m p 的发生率、有效幅度、和弛豫时间可 以简化为电报噪声f 25 1 。 1 2生物钟基因调节网络的随机性研究进展 作为一种特殊的基因调节网络，既有一般基因调节网络的共性，又有自 己的特性。现在已有大量的工作是研究基因调节网络中的随机效应的，这些 研究工作主要分为两大部分： 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 - 2 1分子噪声对生物钟基因调节网络影响的研究 b a r k a i 和l e i b l e r 在1 9 9 9 年就指出，生物钟是处于一个内部噪声性的环境 里面 2 6 】。在个离散的生化反应系统中，分子的总数目很大时，系统的性 质可以由确定性方程来决定。分子的总数目如果是有限大小，则在该生化系 统确定性演化所预测的状态附近会出现噪声似的振动，这些振动反映了固有 的分子噪声。理论统计物理个基本的推导是佰法则2 7 1 随着n 的减少， 噪声振动的幅度会增加，振动的幅度正比于i 而。所以在一个小分子数目 生化反应系统中，就必须考虑小分子数目对态变量的扰动，我们称这种扰动 为分子噪声f 2 8 3 0 1 。这种扰动大部分来源于热涨落，可以从下面两个方面理 解： 1 、小分子数目时生化反应发生的的随机性，即反应的b i r t h a n d d e a t h 是 随机的，与参与该反应的分子数目反应的数目、反应的速率、转换几率紧密 相关。 2 、同时也来源于反应的时间间隔的随机性。生化反应事件的随机本质， 在生化网络运行的过程中形成一种内部噪声，这对于小分子数目系统，尤其 是单个细胞内的事件是非常重要的。 生物钟系统存在于单个细胞内的基因反馈调节网络中，参与调节 的m r n a 数目和蛋白质数目是小的，因此，我们必须考虑生化反应的随机性 对生物钟基因调节网络的影响，郎分子噪声对生理节律的影响。 1 2 2外部涨落对生物钟基因调节网络影响的研究 外部控制参数的随机涨落可以在系统里面引入外部噪声 1 5 。h a s t y 1 6 在 一个单基因网络里面分析了外部噪声的影响，由于外部噪声诱导了蛋白质的 衰减率的涨落，所以通过在蛋白质的衰减率上加入一个乘性噪声来模拟外部 噪声，发现外部噪声可以使蛋白质在高低浓度态之间不断转换。s m o l e n 3 1 在 提出了具有普适性的基因转录调节延迟模型模拟之后就主要考虑这种来源于 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 转录率的随机波动对存在延迟系统的影响。他们发现随机波动可以使得系统 的稳态产生扰动，这种不稳定性使得处于稳态的分子数减少，也就是说这种 外噪声使得稳态不再稳定，成为了不稳定态( 图1 2 ) 。 对于生物钟来说，在光照条件下， 是通过诱导某些生物时钟蛋白的衰减， 光是一个最重要的授时因子，它同样 来控制着昼夜节律和基因表达，所以 光控参数是外部控制参数。生物钟对光照是敏感的。我们必须考虑光的涨落 带来的外部控制参数的随机涨落：比如发现涨落的光照强度影响着浮游生物 的集聚或者分离 2 3 】。 a 3 0 2 0 c o n l ：e l a w a l i o n ( n m ) 1 0 b n u m b e r o f m o l e c u l e s 0 t i m ef h r s ) l t f _ ad i r a e r 02 0 4 06 08 01 1 2 0 t i m e ( h r s ) 图1 2 ：t f - a 为激活的转录因子。可以看到转录因子蛋白质的浓度和与之相对应 的m r n a 的浓度在没有噪声存在时( 图a ) ，存在一。个稳定分布，即图中的峰值位置。 当噪声存在时，两条曲线的峰消失了，成为了单调变化，因此噪声使得稳态不再稳 定了( 图b ) 。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 生物钟系统总是处在一个噪声性的环境中，主要包括光照强度的涨落、 温度的涨落、湿度的涨落。但在长期的进化中，生物钟系统形成了比较完善 的调节结构，可以把自身调整到最优的状态。现在只有少数的几篇文献是介 绍外噪声对系统的影响的，尤其在生物钟基因调节网络中很少研究外噪声给 系统的影响。随机的涨落影响生化反应率，因此有可能不同程度的干扰生物 钟系统的振荡行为。光是生物钟的一个非常重要的控制因素，光信号通过果 蝇的光受体被传送到生物钟系统，通过调节果蝇的时钟基因的表达进而控制 搔夜节律，表现在：光照条件下，磷酸化的r ，m 蛋白的衰减率得到提高。光 的涨落是不可避免的，它同样会通过光受体传送到中心振荡子，影响着时钟 基因的表达，对于果蝇时钟系统这以前还没被研究过。 6 硕士学位论文 m a s t e r lst h e s i s 1 3 本文的内容安排 本文分别将光噪声、分子噪声引入到原有的确定性模型中，这样得到的 修正模型更为贴近真实的生物基因调节网络。具体的内容安排如下： 第二章生物节律和生物钟的基本介绍。包括生物节律和生物钟的概念介 绍，生物钟的结构和基本运行机制，果蝇生物钟系统与外界因素的关系。 第三章主要介绍随机性模型研究方法。包括光噪声及其随机模拟方法， 分子噪声及其随机模拟方法，随机系统的相干共振及其几个表征量。 第四章是本文的核心部分，主要介绍我们的具体工作。首先介绍一 下基因昼夜节律振荡模型的确定性控制及其初步研究：然后将模型由确 定论引入到随机，讨论噪声对基因调节网络的影响。我们发现光噪声诱 导的超闽值的昼夜节律振荡在中等光噪声强度下，时钟蛋白昼夜振荡的 节律性是最明显的，同时它对应的功率谱的峰是最昆著的。通过计算相 干度的表征量卢与光噪声强度的依赖关系，发现在光噪声强度d 。0 0 3 ， 时钟蛋l 刍p e r 和d c l o c k 的均出现了一个最大值，我们称眈m 为最佳的 噪声强度，此时昼夜振荡的节律性达到最佳的状态。由于p 实际一卜就是 信噪比，由此我们发现了在果蝇生物钟内出现的相干共振现象。时钟蛋 白p e r 和d c l o c k 的特征关联时间在几乎相同的光噪声强度处出现了一个 最大值，确认了c r 的发生。日寸间延迟可以控制相干共振的强度，在适当的时 间延迟下，时钟蛋白昼夜节律振荡的相干性可以达到最大。同样我们发现分 子噪声可以诱导细胞水平的昼夜节律振荡，虽然时钟蛋自的生化合成反应每 一次发生与否都是很随机的，但时钟蛋白的浓度仍旧呈现出昼夜节律性的振 荡。当参与基因调节的时钟蛋白仅为数十个时，这种昼夜振荡比较稳固，这 对于在小分子数目时生物钟准确的控制生理节律是非常重要的，符合自然条 件下果蝇的真实状态。 第五章是对本文的总结和展望。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章生物节律和生物钟 在几乎所有的有机体内，从蓝细菌到脉孢菌、植物、昆虫( 如果蝇) 、动 物都存在着以2 4 h 为周期的节律行为。这种昼夜节律为生命体提供了内部的昼 夜的周期性。生物钟是存在于非常广泛的生物里的节律性生理现象，在小至 单个的细胞就已经具有了完整的生物钟的结构和功能，表明生物钟的运作实 际是在分子水平进行，其基本的工作原理主要依赖于对核心的时钟元件的基 因转录的调控。几乎所有的有机体都使用了套通用的相似的生化网络来产 生这种周期性节律的，即这些节律行为的分子结构都是依赖于基因表达的负 自调节反馈环。咀这种基因调节网络结构和机制为基础，已经建立起来了一 些昼夜节律行为的理论模型3 2 3 7 1 。 2 1生物节律和生物钟的基本介绍 生物节律广泛存在于生物界。自然界的节律无所不在，同样体现在生物 系统中，例如花开花落的植物、昼伏夜出的动物，人的生理周期，甚至每日 的心率、体温、细胞新陈代谢等都呈现2 4 h 的节律。生物节律的表现范围很 广，从低频( 长周期) 的动物冬眠、月经周期到高频( 短周期) 的心脏搏动、脑电 波。根据与地球物理相关与否生物节律可分为两类：一类为和昼夜、潮汐、 月相、四季相关的生物节律；一类为随有机体内环境的变化而改变的生物节 律，如心跳、呼吸等，这类节律易被化学药物和温度变化左右。 从众多的生物节律现象可看出，动物、植物的生理机能和生活习性好象 受体内某种内在的时钟控制，这种神秘的时钟称为“生物钟”，即生物感知 时间的能力。生物节律实际上是由生物钟控制的，是生物钟的外在表现，从 某些原核单细胞有机体、低等生物、高等动植物直至人类的生命活动都是在 生物钟控制下进行的。多数基因的表达水平基于2 4 一天周期上下波动，人的 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 生理周期，甚至每日的心率、体温、细胞新陈代谢等都呈现2 4 h 的节律，人 类最熟悉也是最普遍的生物钟莫过于日起夜睡，实际上，科学上对这种昼夜 钟( c i r c a d i a nc l o c k ) 研究最深入。 一、所有物种昼夜节律所具备的主要特点 1 、在恒定条件下，它们的自由运转节律周期接近2 4 h ，并非刚好2 4 h 。 不同物种的生物钟周期在2 2 2 8 h 之间变化，并且在特殊信号，通常是日出 日落的诱导下还会趋于同步。这一点证明，这种节律是独立的、自给的、内 生的。用平实的科学语言来说，当果蝇被置于一个不变的、非周期性的环境 中时( 恒温恒光) ，在缺少外部驱动因素的条件下，它的日常周期性活动仍然 可以无限期持续下去。换句话说，在恒定条件下，比如说持续的黑暗时，果 蝇体内的生物钟以2 4 h 左右为周期发挥作用f 见图2 1 a ) 。 2 、在环境诱因的影响下，比如在光线的引导下，这种节律周期可以被 调整为刚好2 4 h 。由于这个周期不是刚好2 4 h 而是2 4 5 ，因此在完全黑暗环境 中，蟑螂主观的一天将比真实的一天晚半个小时开始。去掉这种酷似i 二i 出日 落的明显明暗转换之后，这种自由运转的自然周期会比太阳周期略长一点。 由于光线的原因，这种节律被同步了，其周期被“强行”调整为精确的2 4 h 。 对于绝大多数有机体来说，光线是主要的“授时者”，让它们的节律机制与 自然界的晨昏变化保持同步f 见图2 1 b ) 。 3 、如同其他任何品质良好的钟表一样，这种节律具有温度补偿机制。 如果生物钟要想起作用的话，它的周期长度就必须或多或少地忽略环境温度 的影响。这是个问题，因为生物反应是服从q 1 0 生物法则的。从本质上说， 温度每升高l o o c ，新陈代谢率就会提高倍，也即有机体内所有的生化反应 速度都会翻倍。人类的生理系统“勤勤勉勉”地工作，以保证体内温度稳定 在3 7 c 左右。但是果蝇是变温动物，体温会随外部环境而变化，假如生物钟 的周期不进行“温度补偿”的话，那么2 0 时为2 4 5 l 的周期，到了3 0 就会 变为1 2 3 。那样一来，一只中午还在太阳底下的果蝇是撑不了多久的。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 1 ：a 、果蝇生物钟在恒定条什f ( 常暗) 产生了周期接近于2 4 的节律振荡，直线 表示光照是恒定的；b 、果蝇生物钟在自然界的晨昏变化条件卜( l d ) 产生了周期 等于2 她的节律振荡，节律机制与自然界的l d 保持同步，方波表示光照是晨昏变化 的。 二、生物节律和生物钟的研究经历的三个主要阶段 5 0 年代及以前的生物节律现象的描述阶段；2 0 世纪6 0 年代的模型建造阶 段；7 0 年代以来利用生物化学和分子生物学阐明有机体内生物钟的阶段。 一直n 8 0 年代，科学家才在果蝇体内发现了第一个与生物节律相关的基 厦功e r 幻d ( 周期基因) ，这类基因称为时钟基因，标志人们开始关注时钟基因的 发现和研究，对于生物时钟的研究开始进入基因水平。目前所失1 1 2 4 h 节律大约 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 是由1 1 个基因控制。 三、生物钟的位置 许多生物中，生物钟都位于中枢神经系统的某个特定区域。8 0 年代生物 钟的新发现是精确地确定了生物钟在动物体中的位置一上视交叉核的神经元 细胞集团。从左右眼睛发出的视神经细胞在脑底交叉，紧邻交叉点上方就是 这个神经元细胞团。视神经的部分神经纤维传入此神经核内。这个只有针 尖大小的细胞核由大约l 万个神经细胞组成，每一个细胞都有一个由基因和蛋 白质组成的微小时钟。这个神经核具有对光照周期的敏感性，产生和明暗变 化同步的节律。果蝎的主钟由两簇神经元组成，位于脑部，果蝇大脑中最关 键的生物钟细胞，被称为腹侧神经细胞。 四、果蝇对研究“生物钟”的贡献及简单介绍 果蝇由于其一个生命周期比较短，研究的简洁性，成为被研究得最广泛 最清晰的一种生物体。对生物钟的研究，随着上世纪8 0 年代分子生物学的 发展进入收获季节。1 9 7 1 年英国科学家在他研究的果蝇中发现了一只特殊果 蝇，它的生物钟只有2 1 h 。科学家花了1 4 年，1 9 8 5 年才找到了引起这个果蝇生 物钟异常的基因。这就是人类第一次发现与生物钟相关的基因，这个基因命 名为p e r i o d “周期基因”。在克隆了第一个果蝇生物钟基因的1 3 年内，科学 家一直试图克隆该基因在其他物种，尤其是哺乳动物的类似基因，但直未 能成功。1 9 9 7 年细胞杂志上发表了一篇论文，科学家通过对上万只实验 鼠的研究，发现了一只实验鼠的生物钟周期是2 7 h ，并定位克隆了这个核酸发 生变异的基因，命名为“时钟基因”c l o c k g e n e 。2 0 0 4 年法国和美国科学家分 别在1 4 日出版的英国自然杂志上报告说，一个称为p e r 的生物钟基因在两 组神经细胞里的作用，分别控制着果蝇晨昏的活动。法国的一个科研小组研 究了一种体p b p e r 基因发生变异的果蝇，这些果蝇的生活缺少规律性。研究人 员使_ p e r 基因在果蝇体内一组称为l n v 的神经细胞里恢复正常作用，发现果蝇 恢复了每天早晨有规律的活动。而使该基因在另组称为l n d 的神经细胞里 硕士学位论文 m a s t e r st t i e s i s 恢复作用，果蝇就会恢复黄昏时的活动。 五、研究生物钟的意义 开展生物钟的基础科研并非要取得什么立竿见影的实用价值，但生物钟 的确与人类健康密切相关。生物钟紊乱可以引起疲倦、精神无法集中、胃肠 消化道紊乱等很多身体不良反映和疾病。长期失眠的人更会因生物钟紊乱带 来精神或躯体的疾病。如果能了解生物钟的工作原理，找到生物钟在体温、 血液中的标志，就能以此了解体内各种代谢情况从而控制生理行为。这样不 但可以认识和避免很多相关疾病，还可以指导设计最佳治疗方案和服药时 间。近年科学实验中发现，由于人体体温、器官、血液、细胞等新陈代谢 有2 4 h 节律，所以很多药物只在某段时间使用最有效。例如肿瘤细胞分化也有 节律，放疗或化疗只在一天中的某3 4 卯q 有效。 2 2生物钟的结构和基本运行机制 2 2 1生物钟的结构 # * m p t 一1 - t 自 c i - y w ，佣p ” 。 mi n h i b i u n 图2 2 ：生物钟系统。个最简化的结构方框图，正性因子激活了振荡基因的转录，负 性因子抑制正性因子，构成了生物钟的调节系统。 1 2 在小至单个的细胞就已经具有了完整的生物钟的结构和功能，表明生物 钟的运作实际是在分子水平进行，其基本的工作原理主要依赖于对核心的时钟 元件的基因转录的调控。类比于现实生活中的个闹钟，将以上要素套用到 闹钟上，然后将答案加以类比，我们可以很容易的构想出生物钟的基本结构： 比如在钟是如何运行的问题上，如同现实的钟是通过钟摆的来回摆动来引导 时钟运行一样，生物钟也需要通过一个核心元件的循环变化来引导时钟的运 行。在运行的过程中，驱动元件负责将钟摆，也就是核心元件摆动起来，而 负反馈元件则负责在钟摆到达最高点后让它摆回去。而在如何调节时钟的时 间上，最为简明而直接的方法就是将指钊直接拨到正确的时间上去。事实 上，对于许多生物的生物钟的研究发现，它们的确是具有上述的结构，并也 是如上发挥作用的。这些元件的工作方式，由于它们的作用也是在分子生物 学范畴之内，通过类比于普通的分子生物学信号途径，可以预计它们主要是 通过转录表达的调控而发挥作用。 生物钟的一个最简化的表示如图2 2 所示：振荡嚣基因负责产生节律 振荡，钟控基因负责调节生物学效应( 代谢和行为学节律性) 。生物钟比较 详细的表示可以用图2 s j n 以说明，该图是对图2 翻拘扩展：振荡器基因包 括p e r 、t i m 、d c l o c k 、v r i ，钟控基因包括c z g 、p g f 。 ( 1 ) 生物振荡器( o s c i l l a t o r ) 或称自主起搏点，由一组里节律表达的基因及其编码的蛋白质组成，由 它发出每天生理节律变化的信号。节律基因启动后，经转录、翻译生成相 应的蛋白质。当此蛋白质浓度达到一定程度，反馈作用于自身基因的肩动 部位，使其浓度高低以2 4 周期进行振荡。在昼夜振荡反馈回路中，正性成 分( p o s i t i v ee l e m e n t ) ，启动生物钟基因，使之进行表达；负性成分( n e g a t i v e e l e m e n t ) ，阻断正性成分的作用，使表达减弱或停止。振荡器是生物钟运作 的核心元件，它收外界传入的信号，引起相应的基因表达，进而控制钟信号 的输出路径，使生物体展现昼夜节律活动。大量模型都是以该部分为对象建 1 3 立起来的，所以后面涉及到的模型都是生物振荡器的模型。 果蝇生物钟墓调节示意国 i d c n t i oa n d r e g u l a t i o no f f a e m e n t s i n t h e d r p h i l a o s c i l l a t o rc l o c k 口m m m口t * m w 图2 3 ：果蝇生物钟基因调节网络方框示意图。包括生物振荡器、输入系统和输出系 统三部分。生物振荡部分中p e r 、t i m 、d c l o c k - 乏个基冈为核心时钟基因，呈昼夜节律 表达的， r 基因最近发现也是振荡部分的中心成分之：输入部分中隐色素( c r v ) 是由c r 基冈编码的一种黄素蛋白，作为光受体接受光波并将其传递到振荡器的钟基 因：输出部分中除c c g 基闲外，还有p 可调节果蝇行为的节律性活动。 ( 2 ) 输入系统 接受环境周期信号传入到振荡器，调节相关基因的表达，矫正节律位相， 由感受器和传入路径组成，它将内在的生物周期和外在的昼夜变化联系起 来。最重要的授时因子为光暗和温度。 ( 3 ) 输出系统 包括与信号输出有关的钟基因和一些钟控基因i c c c ) ，将母钟节律振荡 】4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 信号，经体液和神经途径送达效应器，调节其生理、生化和行为的昼夜节 律。 2 2 2果蝇的钟基因和钟基因的反馈调节机制 黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e i a n o g a s t e r ) 属于多细胞动物昆虫类，其蛹的羽 化和成虫的运动活动均呈现昼夜节律。果蝇类钟基因的研究上世纪7 0 年 代初已开始，积累资料颇丰。果蝇的主钟由两簇神经元组成，位于脑部。 已确认的主要时钟基因有p e r i o d ( p e r ) 、t i m e l e s s ( t i m ) 、d c l o c k ( d c l k ) 、c y c l e ( c y c ) 、d o u b l e t i m e ( d b t ) 、v r i l l e ( v r i ) 以及c r y p t o c h r o m e ( c r y ) 等。图2 4 描绘 了果蝇的生物振荡器部分的基因调节网络，该图是对图2 3 生物振荡器部分的 扩展，我们可以归纳如下： ( 1 ) 正反馈环 转录激活子d c l o c k 时钟蛋白和c y c l e 时钟蛋白形成一个异源聚合 物d c l o c k c y c l e ，能够结合到p b r 基因和t i m 基因的启动子区域，该聚 合物促进了p e r 基因和t i m 基因的转录。 ( 2 ) 负反馈环 d c l o c k 基因产生振荡的d a p g 时钟蛋白，d c l o c k 时钟蛋白可以抑制 自身基因的表达。 ( 3 ) 间接正反馈环 p 目兄时钟蛋自通过与d c l o c k 蛋白结台，一定程度制止了d c l o c k 蛋 自的自身抑制，因此理解为p e r 蛋白间接促进了d c l o c k 基因的转录。 ( 4 ) 间接的负反馈环 p e r 蛋白可以结合到d c l o g 一c y c l e 聚合蛋白上，从而该聚合蛋白 本可与d n a 结合的位点被占据，不能发挥对芦e r 基因和t i m 基因的促进效应， 因此理解为p e r t j m 异源聚合蛋白间接抑n t p e r 基因和t i m 基因的转录。 可以看出，正反馈环和负反馈环是祸合在一起的，因为通过d c l o c k 时 钟蛋白的转录调节在两个反馈环中是公用的。 】5 4 d p # 赫lt i e c * ：l b a e k1 p o p 卅( 船船d 溶i 啪p 图24 ：果蝇的时钟基因和时钟基因的反馈调节网络，对应着整个生物钟系统的生物 振荡器部分，圆里面的区域代表着细胞核，圆外面的区域代表着细胞质。 2 3果蝇生物钟系统与外界因素的关系 明暗、温度、湿度、气压、宇宙射线以及来自外界的其他各种因素，都 可能是激发节律的扳机，社会习性也可能起重要作用。所有这些同步的因子 中，研究得最深入的是光因子的影响。 那么光是怎样作用于时钟循环的呢? 果蝇采用的是光消去的方式。果 蝇对于光的感受是通过眼完成的，在接受到来自眼的光信号后，细胞内 的t m 会被很快地降解，从而影响时钟的循环过程。 将一些昼行性动物放在连续光照且恒温的环境中几个星期，它们睡眠和 活动的时间仍同实验室外面正常昼夜变化的节律几乎一致；同时又发现，节 律周期( 即动物两次醒来的时间间隔) 逐渐缩短，以至于最后少于2 4 h 。这种同 太阳目的2 4 h 周期近似相等的内源节律叫拟昼夜节律。有机体在恒黑或恒亮的 1 6 条件下能保持其固有的拟昼夜节律，而在自然条件下生物保持2 4 h 节律是靠外 界明暗周期变化的影响。因为节律的相位并非严格地限带4 在地球表面地理位 置上特定的时间里固定不变，事实上当人或动物跨跃时区时，它能在几天内 重新调整自己的节律相位，并与新时区相位协调一致。相位的易变性和可塑 性是生物昼夜节律的一个基本特征。每天日照时间长短随着季节发生变化， 动、植物的节律适应这种变化亦发生相应的改变，例如夜行性的飞鼠在短曰 照向长日照过渡的冬天到春天的变化中，每天开始的活动时问一天比天推 迟。啮齿动物的拟昼夜活动节律在暗的条件下可保持几个月，而植物的叶子 活动节律消失的就快