為什么我們人類不能像貓頭鷹一樣晝伏夜出呢？你可能要說，是因為生物鐘呀！生物鐘是怎么運作的呢？

今天下午萬眾矚目的諾貝爾獎生理學或醫學獎就獎勵了發現生物鐘分子機制的三位美國科學家。簡單來說，就是他們發現了生物鐘是怎么運作的。雖然關于生物鐘運作機制的實驗都是在果蠅中進行的，但是在其他多細胞生物中（包括人類），也遵循同樣的機制。

Period基因

在1970年代，科學家證明了一種未知基因的突變能打亂果蠅的生物鐘，他們將這個基因定義為period（周期），但彼時并沒有發現，這種基因是如何影響晝夜節律的。

1984年，三位諾獎獲得者Jeffrey Hall、Michael Rosbash、Michael Young成功分離除了“period”基因。接下來，Jeffrey Hall、Michael Rosbash發現了被period基因編碼的蛋白質PER，它會在黑夜累積，在白天分解。這使得PER的水平在24小時內呈現周期波動，與晝夜節律同步。

一個自我調節的發條機制

Jeffrey Hall、Michael Rosbash假設，PER蛋白質阻止了period（周期）基因的活動。他們推斷，通過抑制反饋回路，PER蛋白質可以阻止自身的合成，從而在連續的晝夜循環中調節自己在細胞中的含量。

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圖1. period基因反饋調節的簡單說明。該圖顯示了在24小時晝夜循環中發生的事兒。當period（周期）基因活躍時，就產生了period基因的mRNA，它們被傳送到細胞質中，作為PER蛋白質產生的模板。PER蛋白質在細胞核中積累，此時基因活動被阻斷。這就產生了一種抑制反饋機制，這是一種晝夜節律的基礎。

Timeless基因和Doubletime基因

PER在細胞質中產生，為了阻止period基因的活動，在細胞質中產生的PER蛋白質，但PER在夜間都積聚在細胞核中，它們是如何進入細胞核的呢？

1994年，Michael Young發現了第二個生物鐘基因，命名為永恒“timeless”，它編碼了一個正常的晝夜節律所需的蛋白質”TIM”。

當TIM和PER結合在一起，使它們能夠進入細胞核，在細胞核內，它們阻止了period基因的活動，從而關閉抑制反饋回路。

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這種調節反饋機制解釋了細胞內蛋白含量的波動是如何產生的，但問題仍然存在。

Michael Young發現了另一種基因，doubletime雙重時間，編碼DBT蛋白質，這種蛋白質延遲了PER蛋白質的積累。

諾貝爾獎獲得者們的新發現，為生物鐘確立了關鍵的原理。在隨后的幾年里，發現了發條機制的其他分子成分，解釋了它的穩定性和功能。例如，激活period基因所需的額外蛋白質，以及光照和生物鐘同步的機制。

在人類生理上保持時間

生物鐘與人類的很多復雜生理活動相關。我們現在知道，包括人類在內的所有多細胞生物都利用一種類似的機制來控制晝夜節律。

細胞中的大部分基因是由生物鐘調節的，因此，一個校準精確的晝夜節律可以讓我們的生理狀態達到最佳，以適應一天中的不同階段。

生物鐘調節著重要的功能，如行為、激素水平、睡眠、體溫和新陳代謝。當我們的外部環境與生物鐘不匹配時，我們的健康程度和幸福感就會受到影響。也有跡象表明，我們的生活方式和我們內在的生物鐘所規定的節奏長期不匹配，與增加各種疾病的風險有關。

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圖3 生物鐘會對控制我們的生理機能，使其適應一天中的不同階段。我們的生物鐘能幫助我們調節睡眠模式，進食行為，激素釋放，血壓和體溫

最后，向三位諾獎得主致敬。

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原文：The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017

原文鏈接：https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html