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听说昼夜节律都得诺贝尔奖了,你还在为了工作而通宵!
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2017-10-10 13:57
       2017年10月2日北京时间17:35,年度诺贝尔生理学或医学奖获奖者公布。
  请大家瞻仰一下今年生理学或医学奖的获奖人:
   
  2017年诺贝尔生理学或医学奖授予Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young,以彰其在昼夜节律的分子机制方面的发现。
     
  Jeffrey C. Hall
  
  Jeffrey C. Hall,美国遗传学家和时间生物学家。布兰迪斯大学教授,专注于研究黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)的行为学和神经学。
  1945年,Hall生于美国纽约布鲁克林。高中时期的他本想成为一名医生,然而在本科阶段,他发现了对生物学的浓厚兴趣,随即放弃了医生这一高地位高收入的理想职业。
  1971年,Hall从华盛顿大学(University of Washington)获得遗传学博士学位,毕业后师从Seymour Benzer(另一位昼夜节律领域的大牛,已故)在加州理工学院做博士后。
  三年后,他获得了布兰迪斯大学(Brandeis University)的助教职位。从本科起直到退休,Hall 都在研究果蝇求偶和行为节律的神经学机制,由此揭示了生物钟的关键机制和神经系统中性别分化的基础。
  2003年,Hall获得了美国遗传学会奖章,并于同年入选美国科学院。
  Hall教授的最后一篇综述文章发表于2008年,现已退休,想必此次诺奖的颁发会让老人的生活再起波澜。
    
     
  Michael Rosbash
  
  Michael Rosbash,美国遗传学家和时间生物学家,即是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)研究员,又是布兰迪斯大学教授,为 Hall的同事。
  Rosbash于1944年生于密苏里州堪萨斯市,本科期间对数学感兴趣的他却因为加州理工学院(California Institute of Technology)的一门生物课程而醉心于生物学研究。
  1965年从加州理工取得化学学位之后,Rosbash又于1970年从麻省理工学院获得生物物理学博士学位。
  Rosbash同样于1974年获得布兰迪斯大学的教职,并在2003年入选美国科学院。
  Rosbash教授的贡献主要在于克隆出周期基因(period gene,PER)并鉴定出其他多个果蝇中与节律相关的基因,并且提出了生物钟的“转录翻译负反馈调控”理论。
    
  
  Michael W. Young
  
  Michael W. Young,美国遗传学家,洛克菲勒大学教授。
  1949年,Young出生于美国佛罗里达州迈阿密。他的双亲都不从事科学工作,却非常支持孩子在科学方面的兴趣。
  1975年,Young 从德克萨斯大学奥斯汀分校获得博士学位。在读博期间,他开始对果蝇产生浓厚兴趣,而另外两位科学家Ron Konopka 和Seymour Benzer关于昼夜节律突变果蝇的研究,直接引领他致力于周期基因的克隆工作。
  经历了两年在斯坦福大学医学院(Stanford University School of Medicine)的博士后研究,1978年Young成为洛克菲勒大学的助理教授,而后在1988年获得教授职位。
  2007年,Young教授当选美国科学院院士。Young教授的主要贡献在于阐明了周期基因的功能,以及在果蝇睡眠周期中的作用。另外,他还发现了“timeless”(无时间)和“doubletime”(双倍时间 )两个基因,其编码的蛋白同样在昼夜节律中起到重要作用。
    
  以上就是三位诺奖获得者的经历。有没有感受到大牛科学家一路开挂的人生轨迹?
  没关系,虽然我们得不了诺奖,至少还可以学习一下获奖的研究内容。想要突破外行看热闹的层面而初窥门径吗?且看下面分解——
    
  什么是昼夜节律?
    
  如果只能用一个例子来说明什么是昼夜节律,那就是“倒时差”。
  在中国,我们(基本)遵循着日出而作日落而息的规律。但是当我们坐了13个小时的飞机落到地球的另一端,就会发现,尽管这里日出日落比起国内相差了12个小时左右,但是在落地之后的一段时间内,我们的清醒和困倦仍然遵循着国内的时间表。你会在艳阳高照的下午眼皮灌铅,也会在伸手不见五指的半夜目光炯炯。
  说好的早睡早起怎么变成昼伏夜出了呢?
  其实这就是你身体里的生物钟遵循了本身的节律,而暂时性地背叛了日照。调控你身体里生物钟的机制,就是本次诺奖的研究,昼夜节律。
    
  获奖人发现了什么?
    
  简单来说,三位科学家就是发现了细胞是如何精确调控约为24小时的昼夜节律的。
  研究始于1970年代,两位我们上面提到却没有详细介绍的科学家Seymour Benzer 和他的学生 Ronald Konopka研究发现,一个未知基因的突变体可以使果蝇丧失昼夜节律,他们将这个基因命名为周期基因(period gene)
  在今年的三位获奖人手中,周期基因的序列由未知变成了已知。
  然而它是如何调控节律的?
  Jeffrey C. Hall和 Michael Rosbash两位教授发现,周期基因制造出的叫做PER的蛋白质会在夜间堆积在细胞核中,而在白天则遭到降解。
  这样一个堆积-降解的周期大约就是24小时,正好是一天的时间。堆积在细胞核中的PER蛋白阻碍细胞继续制造它本身,直到夜晚结束,堆积的PER蛋白被降解,制造重新启动。这样一个蛋白对其本身的制造进行负向调控的机理,就叫做“转录翻译负反馈调控”。
     

  高中生物课上我们学过,蛋白质是在细胞质中进行制造的。这条准则同样适用于PER蛋白。
  然而,PER蛋白是如何堆积在细胞核中的?
  这时候就轮到Michael W. Young教授出场,他发现了另外一个叫做“timeless”(无时间)的基因,其制造的蛋白质TIM帮助PER蛋白从细胞质转移到细胞核。确切地说,TIM和PER是互相帮助,共通入核,缺一不可的。
     

  此外,TIM蛋白还具备一个非常重要的能力,根据光照重置生物钟的功能。
  Young教授和其他研究人员共同发现,TIM蛋白在光照下会被迅速分解,从而调节PER蛋白的入核和堆积,对生物钟进行重置。就是说,如果你飞到地球另一端,过段时间自然会适应当地的日出日落,这就要感谢你体内有TIM功能的蛋白。
    
  好的,昼夜更替的问题解决了,然而细胞是如何控制其频率的?
  我们上面说的Young教授发现的另一个基因“doubletime”(双倍时间)就是这个问题的关键。
  简单来讲,这个基因可以制造一个叫做DBT的蛋白质,它作为一个激酶,可以给没有与TIM结合的PER蛋白上装一个磷酸基团,促进落单的PER蛋白的降解。而PER蛋白的降解速度就精确调控了昼夜节律的频率。
    
  这个诺奖级发现有什么用?
    
  这项研究虽然是在果蝇中完成的,但是生物节律却是从植物到人类中普遍存在的现象。在生物从单细胞进化到复杂哺乳动物的过程中,有一些基因或多或少地保留了它本身的样子,使得有着共同祖先的生物共享一些基因序列,至少是相似功能的蛋白质,即同源基因或蛋白质。
  人类和果蝇虽然千差万别,但却仍然拥有不少同源基因,例如此次的period基因和doubletime基因。
  而人类中有一种遗传性疾病“睡眠时相前移综合症”(Advanced sleep phase disorder,ASPD),其患者的睡眠期间会较普通人前移,大约在晚上6点到8点入睡,凌晨3点醒来。2001年的一项研究发现,ASPD的致病机理,就是病人的hPer2(period基因的同源物)发生了突变,使得人体内的PER蛋白无法被DBT蛋白正常修饰降解。了解了致病机理,疾病治疗手段的开发也是指日可待。
    
  昼夜节律不仅控制着睡眠,还控制着人类的进食规律、激素分泌、血压和体温等等。这些被我们的身体默默地精确调控的过程,还有待人类进一步的理解。在理解的基础上,这些发现终将造福人类的生活。
     

  最后再让我们深入记忆一下今年的诺贝尔生理医学奖的话题: 2017年诺贝尔生理学或医学奖授予Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 和 Michael W. Young,以彰其在昼夜节律的分子机制方面的发现。
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38648471722a763
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