昼夜节律,也叫“生物钟”,是我们大脑中24小时的内部时钟,通过与地球的昼夜周期同步,调节睡眠、清醒和几乎所有身体功能的周期。公元前四世纪,人们已经发现罗望子树的树叶会出现节律变化。1729年,法国科学家Jean-Jacques d'Ortous de Mairan首次记载了含羞草叶的昼夜节律周期,它们白天向太阳展开,晚上闭合,即使将含羞草移到无光照的屋中,叶片也会按时开合。更多研究显示,节律广泛存在于各类生物中,不光动植物,连微生物和细胞都展现出节律现象。1977年,相关机构将生物节律定义为“周期是24小时正负4小时的生理变化或节奏,该节奏可以与当地环境同步,也可以不受外界影响,但能保持约24小时的稳定周期”。
Konopka博士继续钻研,在1984年,他和Jeffrey C. Hall博士以及Michael Rosbash博士带领的研究组又有了重要发现:per这个基因编码的蛋白质PER在细胞核内的浓度呈24小时的周期性起伏,白天降低,夜晚升高。原来,PER蛋白对per基因有负向调控效果,也即是说,per基因越活跃,制造的PER蛋白越多,刹车信号就越强烈,导致其活跃性降低,减少蛋白合成,这样又等于逐步放开刹车,让per基因开始再次活跃,周而复始。这种负反馈调控是节律基因的核心机制之一。
另一名遗传学家Michael W. Young博士的研究组发现,上述负反馈作用还需要另一种节律基因Timeless的帮助。 该基因产生的蛋白质TIM能与PER蛋白结合,协助其进入细胞核来阻止per基因的表达。 而TIM蛋白在光照刺激下会大量降解失活。 于是,TIM蛋白浓度在白天较低,PER缺乏帮助,无法阻止per基因转录,造成PER蛋白在细胞内积累,高浓度的节律基因蛋白让生物逐渐产生睡意。 到了夜晚,TIM蛋白浓度升高,协助PER蛋白进入细胞核调节per基因,让PER蛋白的浓度下降,睡意渐消,到早晨清醒,晨光将周期推入下一轮循环。 这种精细的调控机制,让蛋白质表达出现周期性振荡,与之相关的生理功能也展现出节律性。