2017年諾貝爾生理學或醫學獎，頒給了Michael Rosbash、Jeffrey Hall、Michael Young三位科學家，表彰他們在「生物時鐘」分子層級機制的研究成果。
「生物時鐘」或說「生理時鐘」，大家應該並不陌生，畢竟每個人都有天亮了，自然就睜眼起床，天黑了，就呵欠連天想睡覺的經驗。而它的正式名稱是「生物晝夜節律」，顧名思義，指的是生物的生理運作，和日夜周期是一致的。也因此，生物時鐘一開始被認為是生物配合環境所養成的一種後天習慣。
然而，十八世紀法國天文學家de Mairan，卻發現含羞草葉片的晝夜開合變化，即使在全暗的環境下也仍然繼續進行，經過植物學家的研究，最後終於證明，植物葉子的生物時鐘是內建的，不受環境光照影響。也就是說，植物生物時鐘的機制，應該是先天透過遺傳而獲得的。
因為生物現象具有共通性，既然植物的生物時鐘是內建的，那合理的推論，動物的生理時鐘應該也是遺傳的，內建在基因當中才對。生物學家們根據這項推測，開始利用果蠅進行研究。順帶一提，果蠅對生物研究真是功不可沒，一百多年來， 科學家們因為研究果蠅已經獲得四次諾貝爾獎，今年則是第五次。
首先上場的是Benzer與Konopka，他們研究果蠅的羽化，找到了果蠅生物時鐘的基因，並且取名為「週期」（period ，簡稱PER）。但是這項結果卻遭到很多人質疑，因為生物的行為特徵是很複雜的，很難讓人相信負責的基因只有一個。接著，今年獲獎的三位科學家 Hall，Rosbash，及Young登場了。
這三位的貢獻，可以分成兩部分來談。第一是首次將果蠅生物時鐘的基因，從染色體上分離出來，包括PER和TIM（timeless）等，並且定出DNA的序列。第二是更進一步了解了生物時鐘基因的運作機制。
（圖／Photo by Drew Hays on Unsplash）
關於生物時鐘基因的運作機制，在此之前，科學家有過幾次錯誤的猜測，走了不少冤枉路，直到Hall和Rosbash團隊研究發現，PER基因會製造PER蛋白質，當體內的PER蛋白質濃度升高之後，會產生抑制作用，回過頭讓PER基因減少製造PER蛋白質，體內PER蛋白質濃度因此又漸漸下降，抑制作用也減弱，PER基因又會開始製造PER蛋白質，如此循環不已。而其後由Young團隊發現的TIM基因，也有同樣的現象。
這項發現是生物時鐘研究上的一大突破，科學家們從沒想到，週期原來是靠自體蛋白質濃度的變化在控制。這就解釋了生理時鐘何以能不受環境因素影響，呈現非常穩定的狀態。而PER，TIM等蛋白質濃度的變化本身就是一種時鐘，與一般的時鐘不同的是，生物時鐘除了計時器的功能之外，還有同步化的功能，也就是帶動細胞的其他程序進行同步的週期循環。
由於生物時鐘牽涉廣泛，從學生上課因為爬不起來而遲到，到旅行的時差，未來的太空旅行，夜貓子代謝的肥胖，值夜班的生理調控，以及與癌症，免疫能力等等都有關係。既然生物時鐘的運作機制已被破解，可以預見未來相關的藥物，也會以今年三位得主為生物週期行為所發現的分子平台為基礎，陸續開發出來。且讓我們拭目以待。
獎項／諾貝爾生理學或醫學獎
得主／三位美國遺傳學學者
羅斯巴什（Michael Rosbash）、霍爾（Jeffrey C. Hall）、麥可．揚（Michael W. Young）、共同獲此殊榮。
（本文作者為 淡江大學化學系副教授 陳銘凱；首圖來源／nobelprize.org）
想看更多2017諾貝爾知識專題？立即下載「問道APP」免費收聽：
