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北京時間10月2日17時30分許，瑞典卡羅琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣布，將2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國遺傳學家杰弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）, 邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）以及邁克爾·楊（Michael W. Young），以表彰他們在發現控制晝夜節律機制的發現。控制晝夜節律機制，換而言之，即生物鐘。
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。
內部時鐘基因的識別
上世紀70年代，美國科學家塞莫爾·本澤爾和他的學生羅納德·科諾普卡想要知道是否可能找出控制了果蠅晝夜節律的基因。他們發現，一種未知基因的突變會打破果蠅的正常晝夜節律。他們將這一基因稱作“節律基因”。但這一基因如何能夠影響晝夜節律呢？
今年的諾貝爾獎獲得者們同樣從事果蠅研究，他們正是致力于弄清這種機制是如何發生作用的。在1984年，杰弗里·霍爾以及邁克爾·羅斯巴什在美國波士頓的布蘭迪斯大學緊密協作，成功分離出節律基因。他們兩人隨后發現一種受到晝夜節律控制的特殊蛋白質“PER”，其會在夜晚積累并在白天降解。
因此，也就是說，PER蛋白質的水平存在24小時的周期性起伏，與晝夜節律相一致。
一種自我調節的時鐘機制
接下來的一項關鍵目標是要理解這種晝夜周期的蛋白質濃度起伏是如何被產生并維持的？杰弗里·霍爾和邁克爾·羅斯巴什做了一個假設，假設PER蛋白質的作用是抑制節律基因的活動。他們設想，通過一條抑制反饋回路，PER蛋白質就能夠阻止其自身的合成，從而在一個連續的晝夜周期中形成節律。
經過簡化的圖示，顯示的是節律基因的反饋調節機制。本圖展示的是24小時周期內發生的一系列不同事件
這一模型總體相當成功，但是仍然有一些問題需要解決。為了抑制節律基因的活動，由細胞質產生的PER蛋白質必須能夠抵達細胞核，因為那里才是存儲遺傳物質的地方。
杰弗里·霍爾和邁克爾·羅斯巴什的工作表明，細胞核內的PER蛋白質的含量在夜間上升，但它究竟是如何進入的？在1994年，邁克爾·楊發現了第二種節律基因，這一基因能夠產生TIM蛋白，其同樣是產生正常晝夜節律的必要成分。
通過一系列工作，楊證明了當這兩種蛋白質相互結合時，它們能夠進入細胞核并發揮作用，抑制節律基因的活動并關閉抑制反饋回路。
晝夜節律鐘分子組成的簡單圖示
這種調節反饋機制解釋了這種細胞內蛋白水平出現變動的原因，但問題仍然存在，是什么控制了這種變動的頻率？邁克爾·揚確定了另一個基因doubletime（dbt），能編碼導致PER蛋白積累的DBT蛋白。這為解釋蛋白質水平變動如何與24小時周期密切吻合提供了線索。
三位獲獎者的發現建立了關鍵的生物鐘機制原理。在接下來許多年里，生物鐘機制的其他分子結構得到了闡釋，解釋了該機制的穩定性和功能。例如今年這三位獲獎者鑒別出了周期基因激活所需的其他蛋白質，并闡明了光照為何能與生物鐘保持一致的機制。
生物鐘參與并適應了人類一天中不同階段的生理功能。我們的生物鐘能幫助調節睡眠模式、反饋行為、荷爾蒙釋放、血壓和體溫。
在人類復雜的生理機制中，生物鐘在許多方面扮演著重要角色。我們現在知道，包括人類在內的一切多細胞生物體，都是用相似的機制來控制生理節律。我們的基因中有很大一部分受到生物鐘的影響，由此形成了非常精密的、適應一天中不同階段的節律。由于三位獲獎者的發現，節律生物學已經發展成為一個影響巨大，并非常活躍的研究領域，對人類的健康有重要的啟示。
人物簡介
杰弗里·C·霍爾
1945年生于美國紐約。1971年，他在華盛頓大學獲得遺傳學博士學位，隨后在加州理工學院做博士后（1971~1973）。1974年，他加入邁克爾·羅斯巴什的研究小組，并參與了果蠅周期基因的克隆。2002年，他稱為緬因大學任生物學教授，并于2009年退休。此外，在一次造訪南北戰爭的戰場之后，他對歷史產生了濃厚的興趣，并在2003年出版了一本關于葛底斯堡戰役的專著。
邁克爾·羅斯巴什
遺傳學家和時間生物學（又稱生物鐘學）專家，于1944年出生于美國堪薩斯城。1970年，他在麻省理工學院獲得博士學位。接下來三年里，他在蘇格蘭的愛丁堡大學做博士后。從1974年開始，他在美國布蘭代斯大學和霍華德·休斯醫學研究所任職。1984年，他和杰弗里·霍爾的研究小組克隆了果蠅的周期基因，并在1990年提出了生物鐘的轉錄翻譯負反饋回路概念。1998年，他們在果蠅中發現了周期基因和時鐘基因。
邁克爾·楊
美國遺傳學家。1949年出生在美國邁阿密。1975年，他在美國德克薩斯大學奧斯汀分校獲得博士學位。1975年到1977年，他在斯坦福大學做博士后。1978年起，他一直任職于美國洛克菲勒大學，后來成為該校副校長。
編輯：周春晟
