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美國三學者 獲諾貝爾生理醫學獎 200年來大突破 他們解開生理時鐘基因之謎

美國三學者  獲諾貝爾生理醫學獎 200年來大突破  他們解開生理時鐘基因之謎

陳亭均

話題人物

1086期

2017-10-12 12:19

人類的身體很聰明,太陽曬屁股了會起床,到晚上又想睡。凌晨五點多鐘,麥可.羅斯巴希(Michael Rosbash)睡得正酣,精神還沒飽到可以自然醒,床邊的電話卻瘋了似地響了起來。按他的說法,那尊電話「除非有人過世或有這種程度的大事發生」才會響,鈴聲響得急切,羅斯巴希只好違背了他的「生理時鐘」接起話機,電話那頭說話的是「諾貝爾委員會」。

「我當時感到焦躁不已,實際上和比喻上都是如此。」睡著就被挖起來實在已不容易,諾貝爾委員會又告知了一個驚人訊息:他和遺傳學家傑弗里.霍爾(Jeffrey C. Hall)、麥可.揚(Michael W. Young)一起獲得諾貝爾生理醫學獎桂冠。羅斯巴希簡直無法招架,「我太太還說:『請你開始呼吸』。」 

 

諾貝爾委員會的一通電話,擾亂了羅斯巴希的「生理時鐘」,揚也對獲獎感到震驚,他早上穿鞋時亂了套,「我去拿鞋子時,意識到我得穿襪子,後來又發現我得先穿褲子才行。」 

 

羅斯巴希這次「早起」,意義確實非同凡響,而羅斯巴希、霍爾和揚獲獎的原因,正是他們對「生理時鐘」研究的巨大貢獻。 

 

就像瑞典卡洛林斯卡研究所(Karolinska Institute)諾貝爾大會(Nobel Assembly)在聲明中說的,三位科學家的研究「解釋了植物、動物和人類如何調整生理節奏,以符合地球公轉的步調。」人們過去雖已知道「生理時鐘」存在,但自他們三人的創新研究之後,時間生物學成為了一個廣泛而且高度蓬勃的研究領域。 

 

30年前研究  解碼生物日夜規律  關鍵一哩 

 

什麼是「生理時鐘」呢?過去人們曾認為,「外在環境」是維持人類生理作息的要素,例如「日出而作、日落而息」這句話,就是指「太陽光」等外在環境,直接影響了人類的生理作息。

 

然而「生理時鐘」其實是「內建」在生物體內的,從藍綠藻到真菌、從植物到動物,地球上幾乎所有物種(線蟲、果蠅、斑馬魚、靈長類動物等)都擁有這麼一套「內置時鐘」。從十八世紀開始,學界就開始了對「生理時鐘」的關注,經過兩百多年,霍爾、揚、羅斯巴希終於「解碼」生理時鐘的祕密,完成了研究最重要的一哩路。 

 

一七二九年,天文學家吉恩(Jean Jacques d'Ortous de Mairan)就在對含羞草的研究中,發現了植物的晝夜節律。含羞草白天向著陽光綻開,夜晚又會收攏在一起,然而吉恩發現,即使把含羞草放在完全隔絕陽光的地方,含羞草的葉子仍然會遵循正常的日常變化。這種「晝開夜收」的規律就像時鐘,儘管吉恩當時並沒有意識到植物內部「生理時鐘」的存在,但他已經為未來的研究奠定了基礎。 

 

一八三二年,瑞士植物學家奧古斯丁(Augustin Pyramus de Candolle)進一步確認了含羞草開闔與生物「內在節律」之間的關係。二十世紀三○年代,生物學家藉著果蠅實驗,更進一步證明了生理時鐘具備遺傳性,代代相傳。既然發現了生理時鐘、生物節律的「可遺傳性」,探索生理時鐘背後的基因便成為了研究者努力的方向。 

 

霍爾、揚、羅斯巴希在一九八四年完成的工作,真正確定了被稱為「period基因」的分子克隆和序列,並發現控制生物生理時鐘的分子機制。他們利用果蠅作為模型,成功地分離出控制生物正常晝夜節律的基因,該基因會讓命名為PER的蛋白質在夜晚時分於細胞內積累,並在白天分解。 

 

解決疾病問題 已應用在內分泌、癌症領域 

 

三十多年後,他們終因這一研究發現,摘獲諾貝爾獎。 

 

三人的研究已讓時間生物學(chronobiology)這門新學問大鳴大放,科學家如今發現了更多的基因及其機制去控制生理時鐘。這些基礎研究已經被應用到內分泌學、癌症科學、腦神經科學中,在各項醫學領域熱了起來。 

 

台北醫學大學附設醫院睡眠中心主治醫師李信謙就指出,因為理解了「器官」有其「時間性」,失智症、神經退化性等疾病,由於初期會出現日夜顛倒的睡眠障礙,因此有機會從生物時間基因調控之中,找到病灶點,提早介入治療。 

 

未來,對「生理時鐘」的控制可能應用在更多領域。 

 

有研究發現,農藥在不同時段使用,殺蟲效果不同,因為昆蟲的抵抗力也受到生理時鐘影響。NBA球隊需要跨「時區」進行比賽,「時差」可能影響選手狀態,球隊經理們很樂意找到快速應對滯後生物鐘的方法。 

 

在軍事上,士兵若能克服生理時鐘,快速調整,就可能更適應戰地環境,縮短睡眠時間,甚至一直保持清醒,打造「超級戰士」。在太空探索的應用上,若能延緩、關閉人類生理時鐘的蛋白質開關,讓身體進入冬眠航行太空,太空旅行就更有可能成真。 

 

諾貝爾委員會清晨的急電,喚醒了熟睡的羅斯巴希,而霍爾、揚、羅斯巴希對「生理時鐘」的研究,卻可能喚醒了未來世界的可能性,羅斯巴希應該也覺得,起床接了這通電話,真是值得了。

 

生理時鐘

 

 

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