遗传学的发展（卷74）——昼夜节律的遗传学

Advances in Genetics (Volume 74)——The Genetics of Circadian Rhythms

作者：Stuart Brody

出版：academic press

索书号： Q3/A244/2011/V.74/Y

ISBN: 978-0-12-387690-4

藏书地点： 武大外教中心

昼夜节律（circadian rhythm）是指生命活动以24小时左右为周期的变动。又称近日节律。发光菌的发光，植物的光合作用，动物的摄食，躯体活动，睡眠和觉醒等行为显示昼夜节律。人体生理功能，学习与记忆能力、情绪、工作效率等也有明显的昼夜节律波动。昼夜节律与人类的活动关系密切。生理节律遭扰乱，会导致食欲下降、工作效率降低、事故增多；施用药物时间不同，疗效也不相同；毒物作用时间不同，其毒性表现也不一样；肿瘤细胞对X射线的敏感性也有昼夜差别。

生物振荡的范围从神经元的快速放电(以毫秒为单位)到季节性(甚至更长)的振荡(以月或年为单位)。介于两者之间的是周期为几分钟或几小时(糖酵解)、周期节律、每日节律和周期节律的振荡器。这一章的重点是日常时钟，也就是昼夜节律。对昼夜节律的研究可以追溯到现代分子生物学兴起之前。直到最近，对昼夜节律的研究在很大程度上还是描述性的，但是塔渐渐的要成为一个充满前景的领域。一旦这个令人兴奋的简化阶段结束，它很可能拥有一个更全面的方法。几种非官方简短的注释版本已经在这一章提出的昼夜节律遗传学的概念。本文发展了许多时钟系统的共同主题，讨论了时钟突变的本质。大多数时钟突变似乎是不完全显性的，而其他是隐性的，少数是显性的。

长链蓝藻共生球菌PCC 7942是近二十年来研究昼夜节律的原核生物模型系统。它的遗传可塑性在关键输入、振荡器和输出元件的发现中发挥了重要作用，并且对一些实验提供了具有里程碑意义，例如蛋白质维持支配24小时时间的机制。此外，对原核生物系统的基础研究促进真核生物昼夜节律机制有突破进展。毫无疑问，对这种单细胞蓝藻进行持续的基因和突变分析，将有助于梳理基于KAIC的生物钟的复杂性的研究，从而促进我们对这个系统以及其他更“复杂”的系统的理解。

本文同时描述了目前对神经孢子虫时钟遗传学的理解，并总结了过去十年在这一领域的重要发现。神经孢子虫是目前研究最深入的时钟系统，原因如下。讨论了时钟突变体之间的遗传相互作用，强调了利用遗传手段解剖复杂机制的实用性。描述了神经孢子虫昼夜节律机制的分子细节，以及影响关键时钟蛋白FRQ、WC-1和WC-2的突变，重点介绍了蛋白磷酸化的作用。对影响时钟特性的其他基因进行了研究，并将这些基因分为两类:影响FRQ/WCC振荡器的基因和不影响其作用的基因。研究了温度补偿和影响这一特性的突变体。有一节专门讨论有关这种生物体中存在其他振荡子的观察，讨论它们的性质、作用及其初步特征。讨论了时钟的输出和时钟基因的控制，重点讨论了这些基因的相位和控制层。最后，作者对今后的研究方向提出了展望，并对今后的研究方向提出了建议。

地球绕地轴的自转赋予了周期性的、有节奏的环境变化的特性。从白天到夜晚，再到白天，这种变化的节奏赋予了时钟的可预测性。因此，大多数生物体已经获得了测量时间的能力，利用这一时间信息来调节它们的生物学周期，以适应即将到来的变化。昼夜节律是一种内源性节律，周期约为24小时，由一个内部昼夜节律钟驱动。这个时钟整合了时间信息，协调了生物学的许多方面，包括基本代谢、激素信号和反应，以及对生物和非生物压力的反应，使时钟成为“系统生物学”的核心。这项研究首先探讨生物钟在多大程度上能够调节生物过程。将考虑植物昼夜节律振荡器的结构和机制，探讨对模式植物拟南芥的昼夜节律钟的深入研究中所获得的知识。对其他物种时钟成分的保护将解决拟南芥模型将在多大程度上指导我们对一般植物的考虑。越来越多的证据表明，内源性昼夜节律钟与环境周期的一致性增强了生物适应性，包括生物量积累和繁殖性能等方面。增进植物对环境的投入和内源性时间，具有生态学和农业重要性。

一项针对改变果蝇昼夜节律突变体的基因筛选发现了第一个时钟基因——周期(per)基因。每个基因在一个转录反馈回路中扮演着核心角色，这个回路代表着果蝇和其他动物保持昼夜节律的重要机制。每个反馈循环，或核心循环，是与时钟(Clk)反馈循环相联系的，但Clk反馈循环是否有助于昼夜计时尚不清楚。一系列不同的分子事件被认为控制核心回路的转录反馈。完成这些事件所需的时间应该大大少于24小时，因此必须在核心循环的不同步骤上施加延迟。随着新的时钟基因被发现，导致这些延迟的分子机制已被揭示得越来越详细，并为转录反馈回路如何保持昼夜节律时间提供了深入的解释。这些反馈回路的相位发生变化，以保持与环境循环的同步。虽然对隐花色素(CRY)诱导的光诱导相移的细胞自主机制了解甚多，但对非细胞自主机制的了解甚少。CRY在某些神经元细胞中通过一种非特征性的机制介导并移动，并在其他组织中作为光受体和转录因子发挥双重作用。目前尚有问题亟待解决：转录反馈回路是如何在果蝇体内保持时间的，它们是如何通过延迟时间来维持一个24小时的周期，以及它们是如何与暗周期维持环境光保持同步。果蝇维持时间的转录反馈回路在其他动物中研究的比较头策划，因此，我们对果蝇中这些回路的了解应该继续为其他动物中类似的转录反馈回路的运作提供一定见解。

哺乳动物昼夜节律系统是一个复杂的分层时间网络，它围绕着一个独特的耦合细胞群来组织，这些细胞包括下丘脑视交叉上核的主要昼夜节律起搏器。这个中枢起搏器每天都被环境光和暗循环所束缚，并向全身组织中的细胞自主振荡器传递同步信号。在中枢起搏器和外周组织的细胞内，基因表达振荡发生的潜在分子机制涉及相互关联的转录和翻译反馈环。在过去的10年里,我们学会了很多关于这个系统的遗传学,包括受到单基因突变时,如何辅助转录循环提高振荡的特性,如何从表观遗传机制有助于生理基因表达的控制,以及如何从耦合神经网络当中分离出现紧急时钟。在这里探索哺乳动物昼夜节律系统的遗传学，从细胞自主的分子振荡，到中枢和外周振荡器之间的相互作用，最终，到在动物身上观察到的日常行为节律。

行为和生理过程的每日节律被认为是由内源性生物钟产生的。与模式生物不同，由于遗传背景的异质性和环境影响等因素，人类行为特征的遗传研究面临着新的挑战。直到近年来人们对孟德尔昼夜节律特征的认识，才确定了人类昼夜节律的分子组成。因此，对这些罕见的孟德尔特征进行表征，为确定人类昼夜节律和睡眠机制的遗传学理论奠定了基础。这一系列的研究已经证明是卓有成效的，并为这些途径提供了新的见解。遗传关联研究也为这些机制提供了许多可能的遗传贡献。研究这些基因/蛋白质结合建模人工突变模型，对生物承受的机会，分子机制将导致药理干预措施,不仅可以帮助修改这些行为特征也可能有效的治疗其他睡眠障碍。

《遗传学的发展（卷74）——昼夜节律的遗传学》一书于2011年由academic press出版，作者为Theodore Friedmann, Jay C. Dunlap, Stephen F. Goodwin。

《遗传学的发展（卷74）——昼夜节律的遗传学》一书，作者展现了遗传学领域正在迅速发展，分析总结了国内外关于昼夜节律生理机制的最新研究动态。以昼夜节律生理机制为切入点,针对影响昼夜节律的不同因素进行了综合论述。特别在昼夜节律与光照刺激的相互关系方面,分别对光照刺激强度、时刻、非视觉通路的作用光谱与昼夜节律相位的关系进行了深入阐述。此外,还探讨了自然光季节变动以及极地地区季节变动与昼夜节律之间的关系。

《遗传学的发展（卷74）——昼夜节律的遗传学》一书作为遗传学昼夜节律方面研究读物，内容全面，语言浅显易懂，分别介绍了蓝藻生物钟的遗传学、神经孢子虫昼夜节律的遗传学、植物时钟的遗传学、果蝇昼夜节律的分子遗传学分析、哺乳动物模型生物昼夜节律的遗传学、人类生物钟的遗传学等内容。

除此之外，还包括一些其他的特点：

1、 本书在每一章的结尾突出对未来潜力的展望，以激发在这一令人兴奋和富有成果的研究领域继续研究的新思想和动机。

2、 本书提供了最新遗传学方面关于昼夜节律的见解。一个主要的焦点是昼夜节律在不同物种之间的突出地位，以及在不同学科中的应用。这本书旨在阐明遗传学的科学的意义和美，并为希望从事昼夜节律的学者以及已经从事该领域工作的科学家提供一个切入点。

总的说来，《遗传学的发展（卷74）——昼夜节律的遗传学》一书为想要了解的人员提供了清晰的导读路径，作为昼夜节律领域的一本前沿研究图书，是一本值得为想要涉足该领域的人员推荐的专业书籍。

本书目录：

1、介绍

Stuart Brody

2、微小的时间机器:蓝藻生物钟的遗传学

Shannon R. Mackey, Susan S. Golden, Jayna L. Ditty

3、神经孢子虫昼夜节律的遗传学

Patricia L. Lakin-Thomas, Deborah Bell-Pedersen, Stuart Brody

4、植物时钟的遗传学

C. Robertson McClung

5、果蝇昼夜节律的分子遗传学分析

Paul E. Hardin

6、哺乳动物模型生物昼夜节律的遗传学

Phillip L. Lowrey, Joseph S. Takahashi

7、人类生物钟的遗传学

Luoying Zhang, Chris R. Jones, Louis J. Ptacek, Ying-Hui Fu

参考文献