研究人員鑒別出了跨越生命所有三個領(lǐng)域的首個保守的生物鐘元件。

許多的生物體呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律——調(diào)控每日新陳代謝、生理學(xué)和行為改變的內(nèi)部生物鐘。但是從真菌、果蠅到人類，在物種間還沒有發(fā)現(xiàn)有共同的生物鐘基因或蛋白。在新研究中，研究人員首次鑒別出了在細菌、古細菌（archaea）和真核生物（eukaryotes）的晝夜節(jié)律中活躍的一個代謝蛋白。

這一研究發(fā)現(xiàn)發(fā)布在5月16日的《自然》（Nature）雜志上，表明與此前的觀點相反，晝夜時鐘可能享有一個共同的祖先。此外，由于這一清除活性氧的代謝蛋白發(fā)生了周期性的改變，作者們認為在25億年前對于大氣中氧聚集的傳感和反應(yīng)有可能驅(qū)動了晝夜節(jié)律的進化。

“最厲害的是它表明不知何故所有這些生物體都具有從前不明顯的代謝晝夜節(jié)律，”俄勒岡州立大學(xué)生物學(xué)家P. Andrew Karplus（沒有參與這一研究）說。不過，他指出盡管鑒別的蛋白是代謝晝夜節(jié)律的一個有力標志物，但是沒有證據(jù)表明它是這種節(jié)律的原因。最大的問題是這一節(jié)律的起源是什么？它是如何發(fā)生的？

在過去的20年里，研究人員主要通過研究果蠅確確定了大量的基因和蛋白質(zhì)提供給共同模式：一個轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路，憑借它基因被轉(zhuǎn)錄然后翻譯為蛋白質(zhì)，然后累積直至它們達到能夠觸發(fā)轉(zhuǎn)錄關(guān)閉的閾值，所有都發(fā)生在大約24小時的周期內(nèi)。這一模型已經(jīng)成為了晝夜節(jié)律研究的基礎(chǔ)。

然而在去年，英國劍橋大學(xué)的Akhilesh Reddy和同事們證實這一晝夜生物鐘機器至少有一個組件與轉(zhuǎn)錄無關(guān)——一個稱為過氧化物酶（peroxiredoxin）蛋白的抗氧化劑家族，它可以在與代謝相關(guān)的24小時氧化-還原循環(huán)中吸納細胞中過量的過氧化氫。Reddy研究小組發(fā)現(xiàn)這一幾乎存在于每一個生物體中的蛋白質(zhì)在人類、小鼠和海藻細胞中均顯示出了晝夜節(jié)律振蕩（circadian oscillation）。

“我們似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些真核生物體具有這些節(jié)律，因此我們決定在細菌和古細菌中開展進一步研究，”Reddy說。在最近的研究中，他的研究團隊在淡水藍藻細長聚球藻（Synechococcus elongatus）和海洋有氧古菌嗜鹽桿菌（Halobacterium salinarum）中檢測了過氧化物酶的氧化節(jié)律。每個生物體均在48-72小時內(nèi)維持在恒定的光線和溫度中，在這期間研究人員定期檢測樣品的過氧化物酶氧化與否。果然，在這兩個物種中，蛋白質(zhì)隨著24小時周期顯示出強大的氧化振蕩。

研究小組還檢測了從前鑒別的生物鐘機制與過氧化物酶之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)當果蠅和擬南芥中的已知基因突變時，過氧化物酶周期仍持續(xù)不間斷。這表明兩個組件——傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄-翻譯回路因子和過氧化物酶——相互獨立運作生成了生物體的晝夜節(jié)律。

由于從前在生命的不同領(lǐng)域沒有鑒別出共同的生物鐘機制，科學(xué)家們認為晝夜節(jié)律是獨立多次進化而來。“但是為何要多次推倒重來？它沒有任何的意義，”Reddy說。Reddy早就懷疑晝夜節(jié)律可能享有一個共同的分子起源，而事實上生命的所有三個領(lǐng)域都享有過氧化物酶周期支持了這一觀點。例如，晝夜節(jié)律有可能是隨著細胞適應(yīng)早期環(huán)境能源供應(yīng)（陽光）循環(huán)和隨后的氧化應(yīng)激循環(huán)而進化的。

目前進化的證據(jù)還不能完全令人信服，Karplus說：“過氧化物酶蛋白似乎沒有驅(qū)動任何或是大概與生物鐘蛋白的互作。它們只是碰巧發(fā)生了成為了代謝活動的讀值。”

但是由于新發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶現(xiàn)在可用作一種標記物來在其他研究很少的物種中尋找晝夜節(jié)律。“第一次我們發(fā)現(xiàn)了可在所有生物體中觀測晝夜節(jié)律的一個共同點，”Reddy說。

Reddy補充說研究結(jié)果也可能還有其他更多的實際應(yīng)用。例如在未來，研究人員或可利用小分子靶向過氧化物酶來破壞致病細菌的晝夜節(jié)律，或是提高農(nóng)作物的節(jié)律幫助它們更有效率地生長。