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撰文 | 蔣昕（中科院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所博士）
來源：《科學(xué)》
你注意到了嗎：隨著年齡增長，許多老年人的生物節(jié)律會(huì)發(fā)生紊亂，白天瞌睡晚上醒，或者本來白天好好的，卻在日落時(shí)分犯起糊涂來。此外，老年人也易患阿爾茲海默病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病。這些問題有什么內(nèi)在聯(lián)系？
地球通過自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)產(chǎn)生晝夜分明的二十四小時(shí)和四季變化的三百六十五天，地球上的生物也進(jìn)化出穩(wěn)定的“生物鐘”以適應(yīng)外界環(huán)境中的光照、溫度等變化。這種奇妙的生物節(jié)律一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，而目前研究人員已利用在不同模式生物中的遺傳學(xué)篩選，以及對(duì)睡眠疾病患者進(jìn)行基因測序的方式找到了調(diào)控節(jié)律的關(guān)鍵基因，正是由這些基因構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形成了我們體內(nèi)看不見的“時(shí)鐘”。但隨著人年齡的增加，這個(gè)原本穩(wěn)定的時(shí)鐘有時(shí)也會(huì)慢慢出現(xiàn)毛病，于是有些人會(huì)出現(xiàn)節(jié)律相關(guān)的問題。
除了生物鐘的紊亂，伴隨衰老而來的還有神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茲海默病（俗稱老年癡呆癥）和帕金森病等。奇怪的是，有些神經(jīng)退行性疾病的患者除了出現(xiàn)這些疾病的典型癥狀如記憶力減退、運(yùn)動(dòng)僵直等外，還會(huì)出現(xiàn)生物節(jié)律的紊亂。且有時(shí)節(jié)律異常甚至在罹患神經(jīng)退行性疾病之前好幾年就已出現(xiàn)。這不禁令人發(fā)問，生物節(jié)律的紊亂與退行性疾病的發(fā)生發(fā)展之間是否存在著因果關(guān)系?
生物鐘的分子零件
2017年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了三位在果蠅上找到調(diào)控生物鐘關(guān)鍵基因的科學(xué)家，讓更多人知道了像生物節(jié)律這樣復(fù)雜的行為也是由基因控制的。但追溯到1971年，當(dāng)加州理工大學(xué)的本澤（S. Benzer）教授和他的學(xué)生科諾普卡（R. Kanopka）驚訝地發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因（PER）竟能調(diào)節(jié)果蠅的節(jié)律時(shí)，本澤教授博士后的導(dǎo)師德爾布魯克（M. Delbruck）教授卻堅(jiān)定地對(duì)他說：“不，我一個(gè)字都不相信！”但在一代又一代科學(xué)家的努力下，從果蠅的 Per 基因開始，至今不僅已利用小鼠在哺乳動(dòng)物中找到十幾個(gè)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)是如何構(gòu)成精細(xì)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)生物節(jié)律的。
本澤教授和他的巨型果蠅模型。他是將基因帶到行為學(xué)中第一人，即發(fā)現(xiàn)有些行為是由基因決定的。他利用順向遺傳學(xué)篩選的方法 (即在模式生物中進(jìn)行大規(guī)?；蛲蛔兒?，用特定的行為范式進(jìn)行篩查，得知哪種基因突變會(huì)影響對(duì)應(yīng)的行為) 在果蠅中找到與趨光性、生物節(jié)律和學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的基因。之后其他科學(xué)家借鑒這種篩選方法，在小鼠上找到哺乳動(dòng)物中控制節(jié)律的基因。
哺乳動(dòng)物中，這些核心節(jié)律蛋白之間能通過相互作用形成三條負(fù)反饋調(diào)控通路。而這三條負(fù)反饋通路中， 最重要的通路由激活蛋白 BMAL1、CLOCK 和抑制蛋白 PER、CRY 構(gòu)成。白天，激活蛋白復(fù)合體結(jié)合在 Per，Cry 基因的啟動(dòng)子（一段能調(diào)控基因表達(dá)的DNA序列）上，激活 PER、CRY 的表達(dá)，其表達(dá)量逐漸積累， 到傍晚時(shí)達(dá)到高峰；但抑制蛋白 PER、CRY 表達(dá)之后， 卻反過來通過與激活蛋白復(fù)合體結(jié)合，來抑制自身的表達(dá)，于是 PER、CRY 的含量又在夜晚逐漸降低。到次日清晨，由于數(shù)量的減少，PER、CRY 對(duì)自身表達(dá)的抑制也就被解除了，從而又激活蛋白復(fù)合體開啟新一輪的調(diào)節(jié) ，周而復(fù)始 。
哺乳動(dòng)物生物鐘的重要負(fù)反饋通路。激活蛋白復(fù)合體 BMAL1 和 CLOCK 作用于編碼具抑制作用的 PER、CRY 蛋白的基因啟動(dòng)子上，在白天促進(jìn) PER、 CRY 的表達(dá)，到夜晚 PER、CRY 蛋白量達(dá)到最高峰， 它們又反過來與 BMAL1、CLOCK 蛋白相互結(jié)合，作用于自己的啟動(dòng)子區(qū)域，抑制自身的表達(dá)。
神經(jīng)退行性疾病中的節(jié)律紊亂
神經(jīng)退行性疾病是由于大腦中某個(gè)腦區(qū)或某類神經(jīng)細(xì)胞的死亡而造成的一系列疾病。較常見的神經(jīng)退行性疾病有：影響認(rèn)知和學(xué)習(xí)記憶的阿爾茲海默病、額顳癡呆（frontotemporal dementia），以及主要影響運(yùn)動(dòng)功能的帕金森病、亨廷頓舞蹈癥和肌萎縮側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，俗稱漸凍癥）。神經(jīng)退行性疾病的治療目前還是世界性醫(yī)學(xué)難題，對(duì)于基礎(chǔ)科研工作者來說，對(duì)這類疾病致病機(jī)制的探索道路還很漫長。所幸的是，這些疾病中有部分患者是家族性遺傳的（絕大部分患者是散發(fā)性的，即沒有家庭遺傳背景）。而對(duì)于這部分患者，可以通過基因測序得知是什么基因突變引發(fā)疾病，進(jìn)而研究該基因的致病機(jī)理和發(fā)病機(jī)制。
在臨床上，一些診治神經(jīng)退行性疾病的醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，即部分患者會(huì)出現(xiàn)生物節(jié)律方面的問題。比如，25%~65% 阿爾茲海默病患者在發(fā)病早期到發(fā)病期間，伴有不同癥狀的睡眠障礙，且很多睡眠障礙的產(chǎn)生甚至早于出現(xiàn)阿爾茲海默病的典型認(rèn)知障礙。這些患者的睡眠問題包括白天瞌睡增多，晚間失眠且睡眠間斷，每天的認(rèn)知狀況隨著一天中光線逐漸變暗而變差（日落綜合征）等。此外，他們的腦電記錄（EEG）顯示，快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠時(shí)間都比對(duì)照人群的短。
典型的人夜晚睡眠周期圖。根據(jù)腦電 (EEG) 和肌電(EMG)以及眼動(dòng)記錄 (EOG) 可將睡眠分為非快速眼動(dòng)睡眠和快速眼動(dòng)睡眠階段 (藍(lán)線所示) 。非快速眼動(dòng)睡眠又分為 4 個(gè)階段。在一晚約 6 小時(shí)睡眠中，90~110 分鐘 (由豎直虛線分隔) 為一個(gè)睡眠周期，不同睡眠階段在一個(gè)周期內(nèi)依次循環(huán)。其中非快速眼動(dòng)睡眠和快速眼動(dòng)睡眠的肌電圖類似， 但腦電圖差別較大；清醒階段和快速眼動(dòng)睡眠階段的腦電圖類似但肌電圖差異巨大。
除了阿爾茲海默癥外，帕金森病患者中睡眠 - 覺醒行為的紊亂還能作為其發(fā)病前的重要預(yù)測指標(biāo)之一。據(jù)報(bào)道，有超過 2/3 的帕金森病患者會(huì)出現(xiàn)睡眠問題，其中最嚴(yán)重的是快速眼動(dòng)睡眠障礙?？焖傺蹌?dòng)睡眠約占夜晚睡眠總時(shí)長的 20%，在這段時(shí)間里人們常常會(huì)產(chǎn)生逼真的夢境。但因?yàn)檎Ｈ说倪\(yùn)動(dòng)中樞在沉睡時(shí)是受到抑制的，所以夢永遠(yuǎn)只是虛無的想象，但快速眼動(dòng)障礙的患者卻失去了對(duì)運(yùn)動(dòng)的抑制，于是會(huì)跟隨夢境揮動(dòng)四肢、扭動(dòng)身體，甚至?xí)怕暫艉捌饋?。不幸的是，罹患快速眼?dòng)障礙的人群比對(duì)照人群更容易在未來患上帕金森病。
神經(jīng)退行性疾病與生物節(jié)律紊亂間的關(guān)系
許多臨床數(shù)據(jù)已充分說明了不同神經(jīng)退行性疾病與生物節(jié)律之間的相關(guān)性，但對(duì)于治病救人來說，只知道相關(guān)性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。那么，如何來探究這兩者之間的因果關(guān)系呢？一條最直接的思路就是，神經(jīng)退行性疾病的致病基因是否能直接調(diào)控生物節(jié)律呢？更細(xì)化一點(diǎn)地說，這些致病基因能否調(diào)控核心節(jié)律基因的表達(dá)，并當(dāng)致病基因出現(xiàn)突變后，是否也會(huì)讓個(gè)體產(chǎn)生節(jié)律行為的異常呢？
近期的一項(xiàng)研究將關(guān)注點(diǎn)集中在一個(gè)與兩種神經(jīng)退行性疾?。u凍癥和額顳癡呆）都相關(guān)的蛋白 FUS上面。Fus 基因的突變會(huì)造成漸凍癥，且在患這兩種病的一些患者腦中也檢測到 FUS 蛋白的異常病理性聚集。 在這兩類疾病特別是額顳癡呆患者中也有睡眠異常的報(bào)道，但還沒有相關(guān)分子機(jī)制的研究。一系列分子生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)US 蛋白也能結(jié)合在核心節(jié)律基因 PER、CRY 的啟動(dòng)子區(qū)域，并通過招募有抑制基因表達(dá)作用的 PSF-HDAC1 蛋白復(fù)合體，進(jìn)而抑制 PER、CRY 基因的表達(dá)。這說明神經(jīng)退行性疾病的致病基因也能調(diào)控核心節(jié)律基因的表達(dá)[1]。
FUS 蛋白在漸凍癥和額顳癡呆?；颊吣X中的異常聚集 (箭頭所指) [2]
用跑輪實(shí)驗(yàn)檢測大鼠的生物節(jié)律。每只大鼠單籠 飼養(yǎng)于一個(gè)放置有跑輪的鼠籠內(nèi)，通過連續(xù)長時(shí)間記 錄籠內(nèi)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，來表征動(dòng)物的晝夜節(jié)律。
如何研究 FUS 基因的致病突變是否會(huì)影響個(gè)體的節(jié)律行為呢？漸凍癥中最常見的 FUS 基因突變使得 FUS 蛋白第521位精氨酸突變?yōu)榘腚装彼?，這使原本主要分布于細(xì)胞核內(nèi)的 FUS 蛋白更多地分布于細(xì)胞質(zhì)中， 這可能影響 FUS 蛋白在細(xì)胞核內(nèi)行使其調(diào)控節(jié)律基因表達(dá)的功能，從而影響個(gè)體的節(jié)律行為。為驗(yàn)證 FUS 突變是否會(huì)影響節(jié)律行為，研究者使用了有著與人類相似 FUS 蛋白的大鼠作為模式生物，并運(yùn)用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)與患者 FUS 蛋白第521位突變相同的 FUS-521 突變大鼠 [3]。為觀察 FUS 突變是否會(huì)影響節(jié)律，研究者采用經(jīng)典的跑輪實(shí)驗(yàn)來記錄大鼠的晝夜運(yùn)動(dòng)行為，以表征其生物節(jié)律。并通過記錄大鼠的腦電檢測其睡眠情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)US 突變大鼠的運(yùn)動(dòng)節(jié)律和睡眠與野生型大鼠相比都出現(xiàn)了異常。這說明突變的致病基因也能影響生物體的正常節(jié)律。
FUS 蛋白調(diào)控生物節(jié)律的分子機(jī)制。FUS 蛋白能將抑制基因表達(dá)的 PSF 和 HDAC1 蛋白招募到 PER、CRY 基因啟動(dòng)子區(qū)域來抑制 PER、CRY 的表達(dá)。
綜上所述，一些神經(jīng)退行性疾病的致病基因會(huì)通過調(diào)控核心節(jié)律基因的表達(dá)，來改變生物節(jié)律，所以患者中出現(xiàn)的節(jié)律癥狀有可能是突變的致病基因引起的，但對(duì)于不同基因都需要用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究證實(shí)。但更重要的問題是，探索神經(jīng)退行性疾病患者中的節(jié)律紊亂問題與患者更嚴(yán)重的疾病典型癥狀，如認(rèn)知障礙、運(yùn)動(dòng)異常等有著怎樣的關(guān)系，如果能對(duì)生物節(jié)律紊亂癥狀采取干預(yù)，那是否也能對(duì)其他典型癥狀有所緩解。目前臨床上已有針對(duì)阿爾茲海默癥患者采取光照的治療手段，即通過強(qiáng)光照射調(diào)節(jié)其晝夜節(jié)律，但這種方法對(duì)患者的認(rèn)知水平是否有幫助，還有待分析。因此，基礎(chǔ)科學(xué)方面更多關(guān)于兩者因果關(guān)系的探索及臨床上針對(duì)患者節(jié)律紊亂治療的嘗試都是值得努力的方向。
參考文獻(xiàn)
[1] Jiang X, Zhang T, Wang H, et al. Neurodegeneration-associated FUS is a novel regulator of circadian gene expression. Translational Neurodegeneration，2018，7: 24-34.
[2] Dormann D, Haass C. TDP-43 and FUS: a nuclear affair. Trends Neurosci, 2011, 34(7): 339-48.
[3] Zhang T, Jiang X, Xu M, et al. Sleep and circadian abnormalitiesprecede cognitive de cits in R521C FUS knockin rats. Neurobiology of Aging, 2018, 72: 159-70.
版權(quán)聲明：本文原載2018年3月《科學(xué)》第2期，《返樸》經(jīng)授權(quán)刊發(fā)，對(duì)原文略有修訂。
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