生物钟研究解释“温度补偿”的分子机制

　　这是一个令人兴奋的问题，为什么在温度波动的情况下，内部时钟几乎以相同的速度运行。由生物学家Ralf Stanewsky教授(德国)领导的团队现在已经找到了回答这个问题的一块拼图。

　　

温度越高，生理过程越快。但有一个例外:所谓的生物钟，它调节着生物体的睡眠-觉醒周期。

对科学家来说，一个有趣的问题是，为什么即使温度波动，内部时钟也会以几乎不变的方式运行。这种现象被称为温度补偿。研究表明，不同的分子机制促成了这一现象。由明斯特大学(德国)的Ralf Stanewsky教授领导的生物学家团队，与加拿大达尔豪西大学和德国美因茨大学的团队合作，现在已经发现了这个难题中的一个重要部分，为这个问题提供了答案。他们的研究结果发表在《Current Biology》杂志上。

研究小组在果蝇黑腹果蝇身上发现了一种点突变，这种突变会导致依赖温度的生物钟周期延长。它位于一个被称为“周期”(per)的中心“时钟基因”中。具有这种perI530A突变的果蝇在18摄氏度下显示出24小时的正常睡眠-觉醒节律。相比之下，在29摄氏度的温度下，生物钟会慢5个小时，也就是说，它能持续29个小时。生理周期的延长也会影响大脑时钟神经元中生理周期基因的表达，换句话说，影响其活动。

正常情况下，相关的蛋白质(PERIOD)在24小时内逐渐发生化学变化——具体来说，它被磷酸化了。在最大程度磷酸化后，它被降解。在这里，这个过程在18到29摄氏度之间通常是一样的，在这个温度下果蝇是活跃的。正如研究人员所示，在18摄氏度的温度下，perI530A突变体的磷酸化以正常的方式发生，但随着温度的升高而降低。这导致了“PERIOD”蛋白在较高温度下的稳定。

研究小组研究的突变影响所谓的核输出信号(NES)，它也以这种形式出现在哺乳动物的周期基因中，并在将PERIOD蛋白运输出细胞核中发挥作用。以前没有人知道这种从细胞核中输出的生物功能。目前的研究表明，这种突变导致了中央时钟神经元细胞核中PERIOD蛋白的延长保留——同样，只是在更高的温度下。Ralf Stanewsky说:“因此，我们认为，从细胞核输出蛋白质在温度补偿中起着重要作用——至少就果蝇而言是这样。”

方法

在他们的研究中，科学家们使用了他们使用现代分子遗传学方法(CRISPR/Cas9诱变和同源重组)产生的具有周期基因(perI530A)修饰的果蝇突变体。然后对这些动物进行测试，看它们的睡眠-觉醒周期——以及它们的活动——是否随着环境温度的不同而不同。研究人员使用多种方法，将生物钟基因及其在大脑神经元中的活动可视化。他们使用的方法之一是一种名为局部激活生物发光(LABL)的新方法，这是Münster团队与加拿大研究人员合作开发的。这种涉及生物发光的方法使得在活体果蝇中测量时钟神经元中有节奏的基因表达成为可能，而时钟神经元只占所有大脑神经元的一小部分。

A novel period mutation implicating nuclear export in temperature compensation of the Drosophila circadian clock