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「夜貓子」是天生 諾獎生醫揭密「生理時鐘」

2017年諾貝爾獎系列報導六
文 / 1號課堂    
2017-10-24
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「夜貓子」是天生 諾獎生醫揭密「生理時鐘」
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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。

「夜貓子」是天生 諾獎生醫揭密「生理時鐘」

(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

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