溫度越高，生理過程越快。但有一個(gè)例外:所謂的生物鐘，它調(diào)節(jié)著生物體的睡眠-覺醒周期。

對科學(xué)家來說，一個(gè)有趣的問題是，為什么即使溫度波動，內(nèi)部時(shí)鐘也會以幾乎不變的方式運(yùn)行。這種現(xiàn)象被稱為溫度補(bǔ)償。研究表明，不同的分子機(jī)制促成了這一現(xiàn)象。由明斯特大學(xué)(德國)的Ralf Stanewsky教授領(lǐng)導(dǎo)的生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)，與加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)和德國美因茨大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)難題中的一個(gè)重要部分，為這個(gè)問題提供了答案。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Current Biology》雜志上。

研究小組在果蠅黑腹果蠅身上發(fā)現(xiàn)了一種點(diǎn)突變，這種突變會導(dǎo)致依賴溫度的生物鐘周期延長。它位于一個(gè)被稱為“周期”(per)的中心“時(shí)鐘基因”中。具有這種perI530A突變的果蠅在18攝氏度下顯示出24小時(shí)的正常睡眠-覺醒節(jié)律。相比之下，在29攝氏度的溫度下，生物鐘會慢5個(gè)小時(shí)，也就是說，它能持續(xù)29個(gè)小時(shí)。生理周期的延長也會影響大腦時(shí)鐘神經(jīng)元中生理周期基因的表達(dá)，換句話說，影響其活動。

正常情況下，相關(guān)的蛋白質(zhì)(PERIOD)在24小時(shí)內(nèi)逐漸發(fā)生化學(xué)變化——具體來說，它被磷酸化了。在最大程度磷酸化后，它被降解。在這里，這個(gè)過程在18到29攝氏度之間通常是一樣的，在這個(gè)溫度下果蠅是活躍的。正如研究人員所示，在18攝氏度的溫度下，perI530A突變體的磷酸化以正常的方式發(fā)生，但隨著溫度的升高而降低。這導(dǎo)致了“PERIOD”蛋白在較高溫度下的穩(wěn)定。

研究小組研究的突變影響所謂的核輸出信號(NES)，它也以這種形式出現(xiàn)在哺乳動物的周期基因中，并在將PERIOD蛋白運(yùn)輸出細(xì)胞核中發(fā)揮作用。以前沒有人知道這種從細(xì)胞核中輸出的生物功能。目前的研究表明，這種突變導(dǎo)致了中央時(shí)鐘神經(jīng)元細(xì)胞核中PERIOD蛋白的延長保留——同樣，只是在更高的溫度下。Ralf Stanewsky說:“因此，我們認(rèn)為，從細(xì)胞核輸出蛋白質(zhì)在溫度補(bǔ)償中起著重要作用——至少就果蠅而言是這樣。”

方法

在他們的研究中，科學(xué)家們使用了他們使用現(xiàn)代分子遺傳學(xué)方法(CRISPR/Cas9誘變和同源重組)產(chǎn)生的具有周期基因(perI530A)修飾的果蠅突變體。然后對這些動物進(jìn)行測試，看它們的睡眠-覺醒周期——以及它們的活動——是否隨著環(huán)境溫度的不同而不同。研究人員使用多種方法，將生物鐘基因及其在大腦神經(jīng)元中的活動可視化。他們使用的方法之一是一種名為局部激活生物發(fā)光(LABL)的新方法，這是Münster團(tuán)隊(duì)與加拿大研究人員合作開發(fā)的。這種涉及生物發(fā)光的方法使得在活體果蠅中測量時(shí)鐘神經(jīng)元中有節(jié)奏的基因表達(dá)成為可能，而時(shí)鐘神經(jīng)元只占所有大腦神經(jīng)元的一小部分。

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