基因Clock,也称为生物钟,是指生物体内维持生理和行为的周期性节律的内在机制。这种机制在从细菌到人类的各种生物中普遍存在,调控着广泛的生理和心理过程,如核心体温、食物摄入、认知表现和情绪。在哺乳动物中,基因Clock主要涉及一组核心基因及其蛋白质,这些基因通过精细的反馈回路相互作用,维持大约24小时的周期性节律。例如,在人类中,至少有八个与小鼠核心Clock基因同源的基因已被鉴定出来,其中包括hClock和hPer2,这些基因的突变与人类的睡眠障碍有关[3]。
基因Clock的功能并不仅限于调节生理节律。研究表明,基因Clock还与许多生物学过程密切相关,如细胞分化、发育、代谢和疾病发生。例如,在植物中,基因Clock调节着生长、光周期开花以及对环境胁迫的响应[1]。在人类中,基因Clock协调着基因表达、细胞分裂和DNA修复等过程,因此,Clock功能障碍可能与癌症的发生和进展有关[2]。此外,基因Clock还与生殖过程密切相关。在鼠类子宫中,Clock基因的振荡已被观察到,这些基因的表达受到CLOCK-BMAL1异源二聚体的调控,进而影响胚胎着床和胎盘发育[6]。
基因Clock的调节机制复杂,不仅受到内在基因表达的影响,还受到外部环境因素的调节。例如,光和温度等环境信号可以通过影响基因Clock的表达和活性,进而调节生物的生理和行为节律。此外,一些研究表明,基因Clock的表达和功能还受到炎症和代谢信号的影响。例如,在关节软骨中,炎症因子IL-1可以破坏基因Clock的节律,导致组织稳态失衡,加剧骨关节炎等疾病的发病机制[4]。在糖尿病心肌缺血再灌注损伤中,HDAC3介导的基因Clock表达振荡的破坏导致线粒体自噬功能障碍,加剧心脏损伤[5]。
为了维持基因Clock的节律性,一些研究尝试开发合成基因回路来保护基因Clock免受外界因素的干扰。例如,通过基因工程改造小鼠诱导多能干细胞(miPSCs),使其在炎症环境下仍能保持基因Clock的节律性,从而保护软骨组织免受IL-1诱导的降解和节律丧失[4]。
总之,基因Clock是生物体内维持生理和行为的周期性节律的内在机制,参与调节广泛的生物学过程,包括细胞分化、发育、代谢和疾病发生。基因Clock的调节机制复杂,受到内外环境因素的共同影响。随着对基因Clock研究的深入,我们有望更好地理解其生物学功能和疾病发生机制,为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。
参考文献:
1. Creux, Nicky, Harmer, Stacey. 2019. Circadian Rhythms in Plants. In Cold Spring Harbor perspectives in biology, 11, . doi:10.1101/cshperspect.a034611. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31138544/
2. Sancar, Aziz, Van Gelder, Russell N. . Clocks, cancer, and chronochemotherapy. In Science (New York, N.Y.), 371, . doi:10.1126/science.abb0738. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33384351/
3. Piggins, Hugh D. . Human clock genes. In Annals of medicine, 34, 394-400. doi:. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12452483/
4. Pferdehirt, Lara, Damato, Anna R, Dudek, Michal, Herzog, Erik D, Guilak, Farshid. 2022. Synthetic gene circuits for preventing disruption of the circadian clock due to interleukin-1-induced inflammation. In Science advances, 8, eabj8892. doi:10.1126/sciadv.abj8892. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35613259/
5. Qiu, Zhen, Ming, Hao, Lei, Shaoqing, Xue, Rui, Xia, Zhongyuan. 2021. Roles of HDAC3-orchestrated circadian clock gene oscillations in diabetic rats following myocardial ischaemia/reperfusion injury. In Cell death & disease, 12, 43. doi:10.1038/s41419-020-03295-y. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33414413/
6. Ono, Masanori, Ando, Hitoshi, Daikoku, Takiko, Nishi, Hirotaka, Fujiwara, Hiroshi. 2023. The Circadian Clock, Nutritional Signals and Reproduction: A Close Relationship. In International journal of molecular sciences, 24, . doi:10.3390/ijms24021545. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36675058/