由《牡蛎与海》到生物节律研究

精准医学与蛋白组学 2020-10-16 14:49:09

炎炎夏日,许多朋友应该已经放假在家享受生活了(羡慕ing),小编最近可没有闲着,正在北京参加由北京大学主办的国际生物节律夏令营,劲没少使汗没少出,当然,朋友圈也没少刷。这不,恰巧看到了一篇写的很有诗意的小文章《牡蛎与海》(作者:Ent),让小编感叹科学不仅是严密与准确的,也富于美感,而且这篇文章讲的就是一项生物节律方面的研究,贴出来与大家分享一下。

 

1954年,生物学家F.A.Brown从康奈提格的海边挖下来了一批牡蛎(Ostrea virginica),放进了千里之外芝加哥一个地下室里的水族箱。他是一个生物节律研究者,他知道牡蛎会随着潮水的涨落而起居[1]

 

搬入新居的头两个星期,什么都没有改变。牡蛎们依然按照它们正常的规律生活:它们时而缩回去,时而张开壳,捕捉海水里的浮游生物,喂养自己,一切遵循着遥远的康奈提格海岸的潮起潮落。

 

但是接下来的两星期里,发生了一件难以解释的事情。它们依然像潮水一样起伏,但是它们的高潮期行为却不再和康奈提格的潮水吻合了。不是佛罗里达,不是加利福尼亚,不是多佛,不符合科学所知的任何一张潮汐表。

 

经过反复计算,Brown意识到一点:这是芝加哥的涨潮时间。

 

但是芝加哥没有海。

 

这些牡蛎生活在钢筋混凝土的地下室里,生活在玻璃箱的人造海水中。但它们知道海的存在,它们的祖先已经在海边生活了几亿年;它们可以离开海,海却不会离开它们。Brown猜测,也许牡蛎是感知到了气压的变化,从中反推出了潮汐应来的时间、自己应有的节律。没有任何一只牡蛎是有意识地在做这一切——但在某种深层的意义上,它们正想象着这样的一片海,一片不存在于地球上任何角落的海,在那里会有潮起潮落,而它们会随着海的节律而开合。

 

芝加哥没有海,但牡蛎带来了海。

 

正如文中心向大海的牡蛎,生物体通过内在的节律生物钟调整生理行为和代谢生化反应来适应环境周期性的变化。哺乳动物的节律生物钟核心连锁环通过驱动特异性的转录因子来维持整个基因组转录的节律性,一些蛋白也能通过参与某些生物的生长发育机制,而成影响它们的生物钟节律。生物钟与代谢的内稳态密切相关,生物钟的紊乱会引起各种疾病。

 

2012年Nature曾报道[2],拟南芥中的PRMT5蛋白质通过调控某些生物的基因转录、核糖核酸剪切和细胞增殖,保证有关生物正常生长发育。PRMT5蛋白质变异可导致与开花等重要生命活动有关的植物基因表达发生改变,导致开花提前或推迟,影响其正常生物节律。同样,与PRMT5蛋白质变异有关的另外一些基因变化,也会引起动物与时间概念有关行为的改变。这些发现在农业方面具有很高的应用价值。比如某些植物的叶子越多,收成越好,而叶子数量取决于花期长短,花期则由生物钟控制。如果通过基因调控,影响这些植物的生物钟,就有望使它们长出更多的叶子,带来更好的经济效益。

 

目前,各种高通量技术已经引入生物节律相关的研究,包括转录组,蛋白质组,表观遗传修十足以及代谢组水平等。尤其是高通量蛋白质组学技术,通过大规模筛选找到影响某种植物或动物生物钟节律的关键蛋白,或关键蛋白上发生的某种修饰变化,通过生物信息分析确定差异蛋白所影响的生物体内机理活动,最后进行后续小范围的功能验证,相信这种蛋白质组学研究思路能够有效的促进生物节律研究的发展。

 

参考文献:

[1]F. A. Brown,Jr., Persistent activity rhythms in the oyster. The American journal ofphysiology, 1954.

[2]S.E.Sanchez, et al. A methyl transferase links the circadian clock to theregulation of alternative splicing. Nature, 2012.

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