果蝇的昼夜生物钟基因及其作用机理

果蝇的昼夜生物钟基因及其作用机理

摘要：昼夜节律生物钟是一种以近似24 小时为周期的自主维持的振荡器，由输人通路、中央振荡器和输出通路三部分组成的。生物钟机制的研究已深入到分子水平。生物钟相关基因相继被分离鉴定，它们及其编码的蛋白质产物构成的自主调节的转录和翻译反馈环是生物钟运转的分子机制。本文介绍了果蝇主要生物钟基因及其作用机理，展望了揭示生物钟调节机制在遗传学上的重要意义。

关键词：昼夜节律生物钟，生物钟基因，分子机制

Abstract: The circadian clock is a self - sustaining oscillator with a period of about 24 hour that includes input ,central oscillator and output . The circadian clock mechanism has been studied extensively at the molecular level and several clock - related genes have been identified. The clock genes and the coded protein comprise the self – sustaining feedback loop that can regulate both on the transcriptional and on the translational level . This article introduced the clock genes and molecular circadian mechanism found in drosophilam. The significance of the circadian clock regulation mechanism research in genetics was also prospected.

Keywords: circadian clock, Clock gene, Molecular circadian mechanism

生物钟是基因和行为之间的联系的一个强有力的例证，它也揭示了环境对基因表达的影响，表现了遗传和外界因素的相互作用决定有机体外在的行为。生物钟是许多有机体所固有的，从细菌到人类，这或许是由于有机体长期接受光照和黑暗循环的进化结果。最初人们猜想生物钟可能是因为有机体对每天昼夜变化的反应，白天寻找食物，晚上休息。但是实验证明生物体在没有任何环境变化的条件下仍表现出以24 小时为一周期的有节律的行为。生物钟能够使生物体本身的节律与环境的节律同步化，因此生物钟可以优化生物体日常行为的节律，并且生物钟确实影响机体的健康[ 1 ,2 ]。

昆虫经过长期的演化，在它们的生命活动和行为中，有着明显的昼夜节律性周期变化。许多昆虫的活动节律还有季节性，对于一年发生多代的昆虫，各世代在滞育、迁移、交配、生殖等方面对季节性昼夜变化有明显的反应。这些周期性节律活动，主要受光周期、温度等外在因子和内在神经-内分泌物(诸如各种激素)的调节和控制。昆虫的生物钟种类很多，本文详细介绍果蝇的昼夜节律生物钟[ 3 ]。

昼夜钟可分3 个部分：(1) 生物振荡器(oscillator) ，由一组呈节律表达的基因及其编码

的蛋白质组成。节律基因启动后，经转录、翻译生成相应的蛋白质。当此蛋白质浓度达到一定程度，反馈作用于自身基因的启动部位，使其浓度高低以24 小时周期进行振荡[ 4 ]。在昼夜振荡反馈回路中，正性成分(positive element)，启动生物钟基因，使之进行表达；负性成分(negative element)，阻断正性成分的作用，使表达减弱或停止[ 5 ]，如图1 所示。振荡器是生物钟运作的核心元件，它收外界传入的信号，引起相应的基因表达，进而控制钟信号的输出路径，使生物体展现昼夜节律活动；(2) 输入系统，接受环境周期信号传入到振荡器，调节相关基因的表达，矫正节律位相，由感受器和传入路径组成。最重要的授时因子(Zeitgeber) 为光-暗和温度；(3) 输出系统，包括与信号输出有关的钟基因和一些钟控基因( clock-controlled genes ,CCG)，将母钟节律振荡信号，经体液和神经途径送达效应器，调节其生理、生化和行为的昼夜节律[ 6 ] 。

图1 生物钟基因反馈调节示意图

Fig. 1 A scheme of autoregulatory biological clock gene

1 果蝇的昼夜生物钟基因

黑腹果蝇(Drosophilam elanogaster)是研究昼夜生物钟的重要模式生物，其蛹的羽化和成虫的行为活动均呈现昼夜节律性。果蝇类钟基因的研究上世纪70 年代初已开始，积累资料颇丰。它的主钟由位于脑部的两簇神经元组成，位于脑部。以后研究发现，在其身体其他组织亦有钟结构。到现在为止，在果蝇上已经发现了7 个基因主要参与中枢钟的调节，它们

是：period (per ) , timeless ( tim) , clock(clk) , cycle (cyc) , vrille (vri) , double - time ( dbt) 和Crypto-chrome ( cry)[ 7 ]。

1.1 per基因

per 是1993 年首次被鉴定和克隆成功的钟基因，长10kb，可编码1200 氨基酸的蛋白质，其中一个氨基酸被取代，就会使周期和转录循环发生改变。per 缺陷可改变生物节律。业已证实，它有 3 个变异的等位基因：长周期基因、短周期基因和无周期基因，分别使果蝇的周期长度变为28 小时、19 小时或无节律。我们现在对昼夜钟的认识是从per 的结构、调节和产物开始的[ 8 ]。per 是果蝇的主控基因，影响昼夜节律和超日节律。per经转录和翻译后，形成PER 蛋白，组成钟的反馈回路。但其须与另一种钟蛋白组成异二聚体后，才能作为负性成分发挥作用[ 9 ]。

per可在果蝇成虫的眼、触角、脑(神经元和胶质细胞) 、胸神经节、唾腺、卵巢、消化道和马氏管等许多组织中表达[ 3 ]。在per mRNA 中部有一个编码约20对苏氨酸—甘氨酸重复( TG重复)的区域。TG的缺失对昼夜节律并不产生影响，但却使果蝇的求偶鸣声节律变慢[ 3 ]。per上游有一段69bp的增强子序列，其中的E-box ( enhancer)是per mRNA高水平表达所必需的。

1.2 tim 基因

永恒基因tim是果蝇的第二个生物钟基因，它对per进行转录后调节，在细胞核内定位和蛋白质稳定性等方面起作用[ 10 ]。tim基因是在无明显昼夜节律的果蝇per o中发现的，并已证明是果蝇昼夜节律功能所必需的，其翻译产物TIM 是一种酸性蛋白质，N端含有核定位序列(信号肽)，C端富含酸性氨基酸，具有转录活化结合结构域。从果蝇中分离到的一种蛋白激酶基因产物DBT，一方面使PER不稳定，另一方面使磷酸化后的PER与TIM结合形成稳定异二聚体[ 11 ]。

per 和tim 在下午提高转录水平，黄昏时mRNA 达高峰，PER和TIM蛋白的积累峰在6 小时后出现，二者形成异二聚体进入核内，作为负性成分发挥作用。黎明后光使TIM降解，致使PER不稳定，导致PER∶TIM 对CLOCK∶CYC 的抑制作用降低，开启新一轮的循环。时间生物学研究表明，光—暗周期可导引昼夜节律使其位相重调。在黑夜的早期给果蝇光照，使昼夜周期延长，由于此时tim 的mRNA 处于高峰期稳定，TIM被光解后可能迅速被新合成的TIM 替补，系统推迟节律后再回到光照前的位点上；在夜间晚期给予光照，昼夜节律缩短，这可能由于大TIM被光降解，此时正处于节律的低谷期，很少或无tim mRNA 替补之故。