诺贝尔生理学或医学奖知识交流.ppt

1、2017年10月2日下午17: 30，2017年诺贝尔生理学或医学奖得主是美国科学家杰弗理C霍尔、迈克尔罗斯巴殊和迈克尔杨，理由是“奖励他们关于生物钟分子机制的发现”。获得诺贝尔生理医学奖的原因是“发现了控制昼夜节律的分子机制”。所有生物都有自己的生活规律：人们晚上很累，猫头鹰晚上出来，白天开花，晚上聚集。我们通常称这些昼夜节律为“生物钟”。虽然这个术语大家都很熟悉，但其本质和运作模式却难以捉摸。另一方面，杰弗里C霍尔、迈克尔罗斯巴殊和迈克尔杨花了30年时间探索生物钟的奥秘，同时对已故的西摩本泽进行了研究，揭开了生物钟的神秘面纱，发现了控制昼夜节律的分子机制。这三位诺贝尔奖得主用果蝇作为生物模

2、型，分离出一种控制生物正常生理节奏的基因。他们发现这种基因可以编码一种蛋白质，这种蛋白质在晚上积累在细胞中，在白天降解。然后，他们鉴定了生物钟的其他蛋白质成员，并发现了细胞中自我维持的时钟是如何被这种机制控制的。自从三位获奖者做出这些开创性的发现后，昼夜节律生物学已经发展成为一个广泛而活跃的研究领域，它对我们的健康和幸福有着重要的影响。在故事的开头，1970年，科学家西摩本泽和他的学生罗纳德科诺普卡发现了一种果蝇，在实验中它睡不好：它有白天睡觉，晚上哼歌的个性。西摩本泽开始对这种失眠果蝇感兴趣。经过进一步研究，发现这种不寻常的果蝇由于体内一种未知基因的突变而失去了昼夜节律。这种未知基因后来被称

3、为周期基因。这是一切的开始。因此，请不要放过实验室里的每一个细节。下一个诺贝尔奖可能会出现在你无意中做的一个实验中！(类似于摩根)，在保证精度和准确度的前提下，我们身体的内部时钟可以调节生理状态以适应一天中不同阶段的剧烈变化，而生物钟可以调节一些关键的身体功能，如行为、激素水平、睡眠、体温和代谢机制等。当外部环境和内部生物钟有短暂的不匹配时，身体的健康会受到一定程度的影响。例如，当我们穿越几个时区去体验所谓的时差综合症时，当然，也有迹象表明，由内部“计时员”调节的生活方式和节奏之间的长期失衡可能与多种疾病的风险直接相关。许多生物通过自我调节不断适应环境的变化。18世纪，天文学家让-雅克多罗德迈

4、兰研究了含羞草。他发现含羞草会在白天开放叶子，在黄昏时关闭叶子，所以他想知道如果把含羞草放在连续黑暗的环境中会发生什么。人们发现含羞草的叶子不依赖于阳光，而是遵循正常的每日振荡(图1)，植物似乎有自己的生物钟。其他研究人员也通过研究发现，不仅植物、动物和人类也有自己的关键生物钟，这可以帮助他们为一天中各种环境的波动做好准备。这种调节和适应机制也指的是昼夜节律，它起源于拉丁语单词“circa”，意思是“大约”和“死亡”，意思是“白天”，但是内部的昼夜节律钟是如何工作的呢？这仍然是一个谜！含羞草的叶子会在白天开放，但会在黄昏时自动关闭(上图)；天文学家让-雅克多图斯德迈兰将含羞草置于连续黑暗的环境

5、中(见下图)，发现含羞草的叶子会继续遵循它们正常的生理节奏，甚至在白天也不会波动。究竟在其中起了什么作用？根据这位诺贝尔奖获得者的研究，有三个基因控制着昼夜节律，即周期基因、永恒基因和双重时间基因。那么，这些基因如何控制细胞在24小时内进行精确的昼夜节律控制呢？第一阶段是基因时期。Period基因编码一种叫做PER的蛋白质。这种PER蛋白在夜间由永恒基因编码的TIM蛋白从细胞质转移到细胞核，并在细胞核中积累，而PER蛋白在白天降解。这种积累降解过程需要大约24小时，这是一天中的时间。这种积累和退化的过程对应着人们的白天和黑夜。双时间基因编码的DBT蛋白的功能是减缓PER蛋白的积累，从而实现昼夜

6、节律的精确调节。如果把控制人类生理节奏的过程比作一把锁和一把钥匙，那么开锁需要两把钥匙，一把叫做PER蛋白，由一个叫做周期基因的人控制，另一把叫做TIM蛋白，由一个永恒的基因控制。开门的频率由双时间基因编码的DBT蛋白控制，这是昼夜节律的一般过程。在此过程中，TIM蛋白和PER蛋白结合在一起并进入细胞核，这将抑制周期基因的表达；另一个关键发现是，TIM蛋白可以根据阳光调节昼夜节律，这是“时差”的过程，也就是说，TIM蛋白起作用。像这样的调节反馈机制可以解释细胞中蛋白质水平波动的机制，但仍然存在研究者无法解释的问题。什么控制波动的频率？研究人员迈克尔杨发现了另一个关键基因doubletime，它

7、可以编码一种叫做DBT的蛋白质，这种蛋白质可以减缓PER蛋白质的积累，这可能有助于阐明这种昼夜节律波动是如何被调整以精确适应每天24小时的周期的。研究者模式转换的重大发现确立了生物钟的关键机制和原理。在接下来的时间里，研究人员还可以阐明生物钟机制中涉及的其他分子成分，并解释生物钟的稳定性和功能；例如，今年的诺贝尔奖获得者确定了维持周期基因活性的关键蛋白质以及光和时钟同步的机制。诺贝尔奖对人类有什么用？首先，治愈一些遗传疾病。在人类的遗传性疾病中，有一种疾病叫做“高级睡眠期障碍”(ASPD)。患有这种遗传病的病人会在睡眠中向前移动，大约在晚上6: 00到8: 00入睡，然后在凌晨3: 00醒来。

8、根据2001年的一项研究，ASPD病的发病机理是患者体内发生了HPer2(HPer2的同源物，周期基因)的基因突变，使DBT蛋白不能正常修饰和降解Per蛋白。当我们揭示昼夜节律的分子机制时，我们就能对此类遗传性疾病有更好的治疗方法。第二，治疗失眠。随着现代人各方面压力的增加，人们的失眠也越来越严重。一旦我们彻底分析了分子机制的结构，这种治疗失眠的药物或技术将会不断发展，所有这些都是基于已知的睡眠节律调节过程。第三，揭示熬夜的危害。每个人的身体都是精密的工具。这个仪器最重要的组成部分是细胞。细胞的昼夜节律控制着人们的昼夜节律。一旦人体违反了这种生理节奏，它将不可避免地导致各种疾病。当我们知道了昼夜节律的分子结构，我们就有了一个具体的方法来判断熬夜对人体造成的损害的哪一部分以及它会产生什么样的危害。最后，诺贝尔奖揭示了基因的未来。当人类的研究水平进入细胞和分子水平的时代，基因必将成为人类走向未来的基础。无论基因是潘多拉的盒子还是通往真理的阶梯，科学家们都将继续推进基因领域的研究。现在我们知道基因编码