生物钟及其基因的研究
龙梅子图片-
生物钟及其基因的研究综述
摘要
：生物钟（
biological
clock)
，也称生物振荡器（
Oscillators)<
/p>
。
这是一种近昼夜节律，受
外界因素，尤其是光的调节。当没有外界因素存在或一直处于黑暗的状态下，生物体内的各
种活动仍然具有节律。由此可见，生物节律是由其内在的生物钟所控制的。从单细胞生物到
多细胞生物，从原核生物到真核生物，这种昼夜节奏现象在生物界中广泛存在。因此关于它
的特征、意义和机理的研究日益受到人们重视。这种节律系统包括输入机制、内在的生物钟<
/p>
和输出机制。三者彼此协调才能使生物的各种活动具有节律性。而内在的生物钟机制，实际
上是一些生物钟基因相互作用的结果。
关键词
：生物钟
钟基因
拟南芥
一、第一个生物钟基因
果蝇
per
基因是第
1
个被
克隆的生物钟基因，第二个是
tim
基因。然后人们才对昼夜节
律的
分子机制有了较深人的了解。随着对其他的生物钟基因的相继发现，一种公认的生物
钟分子
调控机制—
—
反馈调节回路凸现出来。以往的研究表明，
tim
基因在此反馈回路中发挥着
重要作用。且
tim<
/p>
对行为节律的作用可能与
per
基因的产
物有关，而
tim
基因对生物多种活动节
律具有协同进化关系。
二、生物钟基因的表达
早期的研究已
经指出，昼夜节奏的表现可能涉及到细胞内的生物化学过程。现在已经清
楚，这种昼夜节
奏与基因的节奏性表达有关。这些基因常常受到生物钟的调节，它们的表达
量伴随着昼夜
循环发生规律性变化。例如在拟南芥中编码富含甘氨酸的蛋白质基因
Cc1
和
CC2
等等。这些基因的
mRNA
水平都表现出昼夜规律性起伏，表明生物钟调节的机制有可能
< br>发生在转录水平上，使基因周期性“开放”与‘关闭”，从而表现出节奏性转录的特征。然而，在
许多昼夜节奏活动中，
mRNA
的合成并没有明
显的节奏变化，可见生物钟调节反应不仅仅局
限于转录水平。如果是非转录水平的调节，
根据人们的研究，可能发生在
RNA
加工、蛋白质
翻译以及翻译后的蛋白质修饰等环节上，由此可导致最终产物的量或形式的变化。
三、拟南芥生物钟分子机制
微阵实验表明至少有
6%
的拟南芥基因是节律性表达的，
在白天和黑夜的所有阶段都有
表达峰
(Harmer
et
al,.
2000;Schaffer
et
al,
2001)
拟南芥生物钟振荡器第一个稳定的模式
(Alabadi et
al. 2001)
包含有
3
个基因<
/p>
:
编码与
Myb
相关的转录因子的
CCA1(CIRCADIAN CLOCK
ASSOCIATED1)
、
LHY((LATE
ELONGATED
HYPOCOTYL)
和一个伪反应调控
子
TOC1(TIMING OF CABEXPRESSION
1)
。
TOC1
的强
功能缺失等位基因
LHY
和
CCA1
的双重突变体，或是这些基因的任
何一个的组成型过量表达
都能引起在持续光照或持续黑暗下的无节律性
< br>(Schaffer etal.1998; Makino et al. 2002;
Mizoguchi et al.2002; Mas et al.2003)
。
但是现在还不知道植物在光暗周期下保持节律和持续
光照
(
或黑暗
)
条件下某些植物能短暂保持节律的原因。
CCA1/LHY
蛋白在深夜和凌晨过量表
达，与
TOC1
启动子的黑夜元件
(AAATATCT)
相结合从
而抑制
TOC1
的表达
(Harmer et
al.2000; Alabadi
et
al
. 2001; Mizoguchi
et al
.2002)
。
当傍晚
CCA1/LHY
水平下降时，
TOC1
蛋白可能激活
CCA1/LHY
的转录，
从而形成了转录反馈环的轮廓
(Alabadi
et al
.2001)
。这种
激活可能是间接的，因为夜间至少还需要以下
3
种基因与
TOC1
共表达
:
ELF3(EARLYFLOWERING 3) (Schaffer
et al
,
1998)
、
GI(GIGANTEA) (Fowler
et al
,1999)
和
GIF4(EARLY-FLOWERING 4) (Doyle
et
al
.2002)
。
这些基因编码的蛋
白的生化功能还不是
很清楚。自相矛盾的是，
TOC1
的过量表达，某种程度上会减弱而不是激活
C C A 1
的表达
(Makino
et
al
.2002; Mas
et
al
.2003)
。