Nature子刊：研究人员重建了能够控制基因的微型生物钟

生物钟在我们的健康和福祉中扮演着至关重要的角色。科学家们正通过研究细菌体内生物钟如何精确控制不同基因在24小时周期内的开启和关闭，来逐步深入了解这些生物钟的核心运作机制。

我们的生物钟在健康和幸福中扮演着至关重要的角色，它使我们的24小时生物周期与光照和黑暗保持同步。生物钟节律的紊乱，例如时差和夏令时，会扰乱我们的日常机能。

加州大学圣地亚哥分校的科学家们现在越来越接近了解这些生物钟的核心运作原理。

在《自然结构与分子生物学》杂志上，加州大学圣地亚哥分校分子生物学系（生物科学学院）和昼夜节律生物学中心的研究人员，以及来自英国纽卡斯尔大学的国内外同行，共同揭示了微小细菌内的昼夜节律钟如何在 24 小时周期内精确控制不同基因的开启和关闭。

研究人员在蓝藻（也称蓝绿藻）这种微小的水生生物中发现了这一秘密。他们揭示了蓝藻24小时生物钟核心组成部分之间的联系，这些组成部分指导着基因的节律性表达。

“我们能够证明，来自生物钟的单个信号可以打开一组基因，关闭另一组基因，从而产生相反的基因表达阶段。在那个细胞中，这意味着一些细胞过程在黄昏时达到高峰，而另一些则在黎明时达到高峰，”该研究的资深作者、生物科学杰出教授苏珊·戈尔登说。

近年来，由于生物钟在健康和医学领域发挥着核心作用，人们对生物钟的关注度日益提高。药物和疫苗在一天中的特定时间服用，与我们的生物钟相协调，才能发挥更佳疗效。加州大学圣地亚哥分校近期任命医学教授阿米尔·扎林帕尔（Amir Zarrinpar）为首位斯图尔特和芭芭拉·L·布罗迪生物钟生物学与医学捐赠讲席教授。该职位由医学院和生物科学学院联合设立，旨在加速加州大学圣地亚哥分校在生物钟生物学与临床实践交叉领域的研究。 

在这项新研究中，研究人员确定了控制蓝藻昼夜节律基因转录（基因表达的第一阶段）所需的最小元素。

“我们现在已经知道重建这个生物钟以产生昼夜节律基因转录所需的组成部分，”该研究的第一作者方明旭（音译）说道，他曾是加州大学圣地亚哥分校的博士后研究员，现在就职于俄亥俄州立大学。“一般来说，昼夜节律系统非常复杂，但在这个简化的蓝藻系统中，我们只需要六种蛋白质就能构建出一个生物钟。”

共同作者、分子生物学和细胞与分子医学系教授凯文·科贝特表示，该研究团队发现的蓝藻生物钟非常引人注目，因为它与人类和其他被称为真核生物的生物体中的生物钟截然不同。

“这是一个完全独立演化的系统，”结构和分子机制专家科贝特说道。科贝特领导了这项研究，其中运用了被称为冷冻电镜的先进仪器。近年来，冷冻电镜已成为世界上理解生命基本特性的最有力方法之一。这项研究的这一部分是在加州大学圣地亚哥分校新建的戈德尔家族技术沙盒中心完成的，该中心配备了一系列尖端仪器。

掌握了核心时钟运行机制后，研究人员利用纯化的组分构建了一个能够控制转录的时钟。他们开发了一种合成基因表达系统，该系统可能适用于其他细菌，例如生物技术中的主力菌株——大肠杆菌（E. coli ）。他们还证明，该系统能够以可预测的表达相位有节奏地激活测试基因。“这些实用的生物学工具可以扩展到控制蓝藻或其他生物技术微生物中所需生物产物的合成，”Golden说道。

纽卡斯尔大学高级讲师尤利娅·尤岑科娃表示：“最令人瞩目的是，细胞基因活动的巨大复杂性和变异性，竟然可以通过如此简单的时钟机制，协调成优美的节律模式。这项研究增进了我们对生物节律的理解，并支持从微生物生物技术到人类肠道健康等一系列应用。”