|
|
[h2]作者：李曲文
[/h2]
[h1]生物钟的由来[/h1]
地球上几乎所有的生命都有一套基因来决定内在的生物节律，从细菌 、果蝇到老鼠 ,所有生物都具有类似人类生物钟机制的守时基因。生物节律影响着饥饿、体温、睡眠觉醒、激素生成、活动水平、代谢率等机体变化。
由于现代生活方式的出现，人类——特别是那些会经常倒班或者跨时区飞行的人群——生物钟受到普遍干扰，这使得他们更容易患糖尿病、肥胖症、心脏病、癌症等疾病。
以色列魏茨曼科学研究所的研究人员发现，小鼠和人肠道内菌群的组成和功能都会随昼夜交替而周期性变化。比如，黑暗的夜晚是小鼠最活跃的时候，肠道细菌此时也很忙碌，它们会忙着消化营养物、修复受损的DNA、并不断增殖；而到了白天，它们则变为“管家”，开始排毒、感知环境变化，或者长出鞭毛到处活动。小鼠的肠道菌群在一天内的不同时间段中在肠道内的位置变化及代谢产物的变化。微生物释放的氨基酸，脂质和维生素进入宿主小鼠的血液循环。血液中这些分子水平在一天中的变化又进一步改变了小鼠肝脏中编码多种代谢酶的基因的表达。（如图1）
图1不同时期不同部位细菌代谢产物不一样
（图片来自[1]Gut microbe movements regulate host circadian rhythms）
[h1]更有研究学者做图2的实验[/h1]
图的大概意思是：
1）不同饮食会影响小鼠的肠道菌群，造成生物钟改变，决定胖瘦；
2）生物钟改变（如熬夜、倒时差）会影响肠道菌群（注意图中黑色双向箭头）；
3）无菌小鼠，肠道里没有菌群，不管吃什么，它都不会胖。
（胖子可别激动，无菌对人不适用！人肚子里不可能无菌，或者用广谱抗生素可消灭绝大多数细菌，但也就失去健康屏障了！）
有研究发现，肠道菌群会通过代谢产物影响中枢神经系统，干预人的行为。一日三餐吃什么，可能是由肠道菌群和大脑一起决定的。所以，这些研究大概说明了“饮食、生物钟、肠道菌群”的“三角恋”关系！它们仨恋得欢，却一不小心决定了我们是胖是瘦：
图2 “饮食、生物钟、肠道菌群”的“三角恋”关系图
[h1]细菌生物钟的基因调控[/h1]
许多细菌经历环境昼夜变化，肠道微生物群也暴露于日常肠道环境的变化。人们研究最多的是蓝藻，蓝藻的生物钟围绕着kaiABC基因簇和ATP建立。ATP是一种分子燃料，几乎所有的活细胞都要依赖它。在白天，蓝藻是活跃的，kaiA蛋白会促进kaiC蛋白与来自ATP的磷酸基团结合；到了晚上，KaiB蛋白开始活跃，会破坏KaiA的活动让KaiC把磷酸盐交回去。（图3）
图3 生物钟调控基因作用机制图
（图来自[2]Timing the day: what makes bacterial clocks tick?）
[h1]细菌生物钟基因的应用前景[/h1]
科学家设想把kaiABC时钟蛋白整个转移到大肠杆菌中，把kaiABC时钟基因蛋白和绿色荧光蛋白连接在一起，磷酸KaiC蛋白就会使大肠杆菌发光，通过观察在整个24小时的周期中，发现大肠杆菌先是变得越来越明亮，然后变成不发光的状态。这表明KaiABC时钟被移植后，确实能在大肠杆菌体内计时。
未来有一天，微生物时钟可能变成设计生物计算机的工具包里的一部分。犹如哈佛医学院的帕梅拉·希弗尔说的：“可能你会想让一个细胞接到一个信号，然后在一定时间后作出反应，这实际就是一种计时器。”
如果有人愿意吃转基因益生菌，这些微生物则可以在特殊时间给肠道递药、对于因飞机时差而生物钟被扰乱的人来说，这是一个福音。以色列研究人员曾发现，飞机时差会导致人体内的微生物不平衡，而计时细菌则有望帮人们降低生物钟紊乱的风险。
具备生物钟的生物就好像体内有一块无形的“时钟”，让这些生物体存在天然的节律性，让原本没有“时间观念”的生物从此有了新的“计时器”。未来可以通过调控这种“时钟”基因让生物被“时钟”操控调节微肠道菌群的生物节律指导如何、何时给药，同事也可以用于临床治疗干预肥胖、代谢综合征等与生物钟扰乱（如轮班工作或倒时差）相关的健康问题。
参考文献
[1]Microbiota diurnal rhythmicity programs host transcriptome oscillations.cell, DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.003
[2]Carl Hirschie Johnson,Chi Zhao, Yao Xu，Tetsuya Mori.Timing the day:what makes bacterial clocks tick? Nature,2017,5:231-236.doi:10.1038/nrmicro.2016.196.
[3]Chang, Y.-G. et al. A protein fold switch joins the
circadian oscillator to clock output in cyanobacteria.
Science 349, 324–328 (2015).
[4]Abe,J. et al. Atomic-scale origins of slowness in the cyanobacterial circadian clock. Science 349, 312–316 (2015).
图文编辑：小小牧童
|
|
发表于 2017-10-27 20:00:00