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撰文 | 蔣昕（中科院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所博士）
來(lái)源：《科學(xué)》
你注意到了嗎：隨著(zhù)年齡增長(cháng)，許多老年人的生物節律會(huì )發(fā)生紊亂，白天瞌睡晚上醒，或者本來(lái)白天好好的，卻在日落時(shí)分犯起糊涂來(lái)。此外，老年人也易患阿爾茲海默病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病。這些問(wèn)題有什么內在聯(lián)系？
地球通過(guò)自轉和公轉產(chǎn)生晝夜分明的二十四小時(shí)和四季變化的三百六十五天，地球上的生物也進(jìn)化出穩定的“生物鐘”以適應外界環(huán)境中的光照、溫度等變化。這種奇妙的生物節律一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，而目前研究人員已利用在不同模式生物中的遺傳學(xué)篩選，以及對睡眠疾病患者進(jìn)行基因測序的方式找到了調控節律的關(guān)鍵基因，正是由這些基因構成的網(wǎng)絡(luò )形成了我們體內看不見(jiàn)的“時(shí)鐘”。但隨著(zhù)人年齡的增加，這個(gè)原本穩定的時(shí)鐘有時(shí)也會(huì )慢慢出現毛病，于是有些人會(huì )出現節律相關(guān)的問(wèn)題。
除了生物鐘的紊亂，伴隨衰老而來(lái)的還有神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茲海默?。ㄋ追Q(chēng)老年癡呆癥）和帕金森病等。奇怪的是，有些神經(jīng)退行性疾病的患者除了出現這些疾病的典型癥狀如記憶力減退、運動(dòng)僵直等外，還會(huì )出現生物節律的紊亂。且有時(shí)節律異常甚至在罹患神經(jīng)退行性疾病之前好幾年就已出現。這不禁令人發(fā)問(wèn)，生物節律的紊亂與退行性疾病的發(fā)生發(fā)展之間是否存在著(zhù)因果關(guān)系?
生物鐘的分子零件
2017年諾貝爾生理或醫學(xué)獎授予了三位在果蠅上找到調控生物鐘關(guān)鍵基因的科學(xué)家，讓更多人知道了像生物節律這樣復雜的行為也是由基因控制的。但追溯到1971年，當加州理工大學(xué)的本澤（S. Benzer）教授和他的學(xué)生科諾普卡（R. Kanopka）驚訝地發(fā)現一個(gè)基因（PER）竟能調節果蠅的節律時(shí)，本澤教授博士后的導師德?tīng)柌剪斂耍∕. Delbruck）教授卻堅定地對他說(shuō)：“不，我一個(gè)字都不相信！”但在一代又一代科學(xué)家的努力下，從果蠅的 Per 基因開(kāi)始，至今不僅已利用小鼠在哺乳動(dòng)物中找到十幾個(gè)調節基因表達的蛋白質(zhì)是如何構成精細網(wǎng)絡(luò )來(lái)調節生物節律的。
本澤教授和他的巨型果蠅模型。他是將基因帶到行為學(xué)中第一人，即發(fā)現有些行為是由基因決定的。他利用順向遺傳學(xué)篩選的方法 (即在模式生物中進(jìn)行大規?；蛲蛔兒?，用特定的行為范式進(jìn)行篩查，得知哪種基因突變會(huì )影響對應的行為) 在果蠅中找到與趨光性、生物節律和學(xué)習記憶相關(guān)的基因。之后其他科學(xué)家借鑒這種篩選方法，在小鼠上找到哺乳動(dòng)物中控制節律的基因。
哺乳動(dòng)物中，這些核心節律蛋白之間能通過(guò)相互作用形成三條負反饋調控通路。而這三條負反饋通路中， 最重要的通路由激活蛋白 BMAL1、CLOCK 和抑制蛋白 PER、CRY 構成。白天，激活蛋白復合體結合在 Per，Cry 基因的啟動(dòng)子（一段能調控基因表達的DNA序列）上，激活 PER、CRY 的表達，其表達量逐漸積累， 到傍晚時(shí)達到高峰；但抑制蛋白 PER、CRY 表達之后， 卻反過(guò)來(lái)通過(guò)與激活蛋白復合體結合，來(lái)抑制自身的表達，于是 PER、CRY 的含量又在夜晚逐漸降低。到次日清晨，由于數量的減少，PER、CRY 對自身表達的抑制也就被解除了，從而又激活蛋白復合體開(kāi)啟新一輪的調節 ，周而復始 。
哺乳動(dòng)物生物鐘的重要負反饋通路。激活蛋白復合體 BMAL1 和 CLOCK 作用于編碼具抑制作用的 PER、CRY 蛋白的基因啟動(dòng)子上，在白天促進(jìn) PER、 CRY 的表達，到夜晚 PER、CRY 蛋白量達到最高峰， 它們又反過(guò)來(lái)與 BMAL1、CLOCK 蛋白相互結合，作用于自己的啟動(dòng)子區域，抑制自身的表達。
神經(jīng)退行性疾病中的節律紊亂
神經(jīng)退行性疾病是由于大腦中某個(gè)腦區或某類(lèi)神經(jīng)細胞的死亡而造成的一系列疾病。較常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病有：影響認知和學(xué)習記憶的阿爾茲海默病、額顳癡呆（frontotemporal dementia），以及主要影響運動(dòng)功能的帕金森病、亨廷頓舞蹈癥和肌萎縮側索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，俗稱(chēng)漸凍癥）。神經(jīng)退行性疾病的治療目前還是世界性醫學(xué)難題，對于基礎科研工作者來(lái)說(shuō)，對這類(lèi)疾病致病機制的探索道路還很漫長(cháng)。所幸的是，這些疾病中有部分患者是家族性遺傳的（絕大部分患者是散發(fā)性的，即沒(méi)有家庭遺傳背景）。而對于這部分患者，可以通過(guò)基因測序得知是什么基因突變引發(fā)疾病，進(jìn)而研究該基因的致病機理和發(fā)病機制。
在臨床上，一些診治神經(jīng)退行性疾病的醫生發(fā)現了一個(gè)奇怪的現象，即部分患者會(huì )出現生物節律方面的問(wèn)題。比如，25%~65% 阿爾茲海默病患者在發(fā)病早期到發(fā)病期間，伴有不同癥狀的睡眠障礙，且很多睡眠障礙的產(chǎn)生甚至早于出現阿爾茲海默病的典型認知障礙。這些患者的睡眠問(wèn)題包括白天瞌睡增多，晚間失眠且睡眠間斷，每天的認知狀況隨著(zhù)一天中光線(xiàn)逐漸變暗而變差（日落綜合征）等。此外，他們的腦電記錄（EEG）顯示，快速眼動(dòng)睡眠和非快速眼動(dòng)睡眠時(shí)間都比對照人群的短。
典型的人夜晚睡眠周期圖。根據腦電 (EEG) 和肌電(EMG)以及眼動(dòng)記錄 (EOG) 可將睡眠分為非快速眼動(dòng)睡眠和快速眼動(dòng)睡眠階段 (藍線(xiàn)所示) 。非快速眼動(dòng)睡眠又分為 4 個(gè)階段。在一晚約 6 小時(shí)睡眠中，90~110 分鐘 (由豎直虛線(xiàn)分隔) 為一個(gè)睡眠周期，不同睡眠階段在一個(gè)周期內依次循環(huán)。其中非快速眼動(dòng)睡眠和快速眼動(dòng)睡眠的肌電圖類(lèi)似， 但腦電圖差別較大；清醒階段和快速眼動(dòng)睡眠階段的腦電圖類(lèi)似但肌電圖差異巨大。
除了阿爾茲海默癥外，帕金森病患者中睡眠 - 覺(jué)醒行為的紊亂還能作為其發(fā)病前的重要預測指標之一。據報道，有超過(guò) 2/3 的帕金森病患者會(huì )出現睡眠問(wèn)題，其中最嚴重的是快速眼動(dòng)睡眠障礙?？焖傺蹌?dòng)睡眠約占夜晚睡眠總時(shí)長(cháng)的 20%，在這段時(shí)間里人們常常會(huì )產(chǎn)生逼真的夢(mèng)境。但因為正常人的運動(dòng)中樞在沉睡時(shí)是受到抑制的，所以夢(mèng)永遠只是虛無(wú)的想象，但快速眼動(dòng)障礙的患者卻失去了對運動(dòng)的抑制，于是會(huì )跟隨夢(mèng)境揮動(dòng)四肢、扭動(dòng)身體，甚至會(huì )放聲呼喊起來(lái)。不幸的是，罹患快速眼動(dòng)障礙的人群比對照人群更容易在未來(lái)患上帕金森病。
神經(jīng)退行性疾病與生物節律紊亂間的關(guān)系
許多臨床數據已充分說(shuō)明了不同神經(jīng)退行性疾病與生物節律之間的相關(guān)性，但對于治病救人來(lái)說(shuō)，只知道相關(guān)性還遠遠不夠。那么，如何來(lái)探究這兩者之間的因果關(guān)系呢？一條最直接的思路就是，神經(jīng)退行性疾病的致病基因是否能直接調控生物節律呢？更細化一點(diǎn)地說(shuō)，這些致病基因能否調控核心節律基因的表達，并當致病基因出現突變后，是否也會(huì )讓個(gè)體產(chǎn)生節律行為的異常呢？
近期的一項研究將關(guān)注點(diǎn)集中在一個(gè)與兩種神經(jīng)退行性疾?。u凍癥和額顳癡呆）都相關(guān)的蛋白 FUS上面。Fus 基因的突變會(huì )造成漸凍癥，且在患這兩種病的一些患者腦中也檢測到 FUS 蛋白的異常病理性聚集。 在這兩類(lèi)疾病特別是額顳癡呆患者中也有睡眠異常的報道，但還沒(méi)有相關(guān)分子機制的研究。一系列分子生化實(shí)驗發(fā)現，FUS 蛋白也能結合在核心節律基因 PER、CRY 的啟動(dòng)子區域，并通過(guò)招募有抑制基因表達作用的 PSF-HDAC1 蛋白復合體，進(jìn)而抑制 PER、CRY 基因的表達。這說(shuō)明神經(jīng)退行性疾病的致病基因也能調控核心節律基因的表達[1]。
FUS 蛋白在漸凍癥和額顳癡呆?；颊吣X中的異常聚集 (箭頭所指) [2]
用跑輪實(shí)驗檢測大鼠的生物節律。每只大鼠單籠 飼養于一個(gè)放置有跑輪的鼠籠內，通過(guò)連續長(cháng)時(shí)間記 錄籠內輪子的轉動(dòng)情況，來(lái)表征動(dòng)物的晝夜節律。
如何研究 FUS 基因的致病突變是否會(huì )影響個(gè)體的節律行為呢？漸凍癥中最常見(jiàn)的 FUS 基因突變使得 FUS 蛋白第521位精氨酸突變?yōu)榘腚装彼?，這使原本主要分布于細胞核內的 FUS 蛋白更多地分布于細胞質(zhì)中， 這可能影響 FUS 蛋白在細胞核內行使其調控節律基因表達的功能，從而影響個(gè)體的節律行為。為驗證 FUS 突變是否會(huì )影響節律行為，研究者使用了有著(zhù)與人類(lèi)相似 FUS 蛋白的大鼠作為模式生物，并運用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)構建了一個(gè)與患者 FUS 蛋白第521位突變相同的 FUS-521 突變大鼠 [3]。為觀(guān)察 FUS 突變是否會(huì )影響節律，研究者采用經(jīng)典的跑輪實(shí)驗來(lái)記錄大鼠的晝夜運動(dòng)行為，以表征其生物節律。并通過(guò)記錄大鼠的腦電檢測其睡眠情況。實(shí)驗結果顯示，FUS 突變大鼠的運動(dòng)節律和睡眠與野生型大鼠相比都出現了異常。這說(shuō)明突變的致病基因也能影響生物體的正常節律。
FUS 蛋白調控生物節律的分子機制。FUS 蛋白能將抑制基因表達的 PSF 和 HDAC1 蛋白招募到 PER、CRY 基因啟動(dòng)子區域來(lái)抑制 PER、CRY 的表達。
綜上所述，一些神經(jīng)退行性疾病的致病基因會(huì )通過(guò)調控核心節律基因的表達，來(lái)改變生物節律，所以患者中出現的節律癥狀有可能是突變的致病基因引起的，但對于不同基因都需要用實(shí)驗進(jìn)行探究證實(shí)。但更重要的問(wèn)題是，探索神經(jīng)退行性疾病患者中的節律紊亂問(wèn)題與患者更嚴重的疾病典型癥狀，如認知障礙、運動(dòng)異常等有著(zhù)怎樣的關(guān)系，如果能對生物節律紊亂癥狀采取干預，那是否也能對其他典型癥狀有所緩解。目前臨床上已有針對阿爾茲海默癥患者采取光照的治療手段，即通過(guò)強光照射調節其晝夜節律，但這種方法對患者的認知水平是否有幫助，還有待分析。因此，基礎科學(xué)方面更多關(guān)于兩者因果關(guān)系的探索及臨床上針對患者節律紊亂治療的嘗試都是值得努力的方向。
參考文獻
[1] Jiang X, Zhang T, Wang H, et al. Neurodegeneration-associated FUS is a novel regulator of circadian gene expression. Translational Neurodegeneration，2018，7: 24-34.
[2] Dormann D, Haass C. TDP-43 and FUS: a nuclear affair. Trends Neurosci, 2011, 34(7): 339-48.
[3] Zhang T, Jiang X, Xu M, et al. Sleep and circadian abnormalitiesprecede cognitive de cits in R521C FUS knockin rats. Neurobiology of Aging, 2018, 72: 159-70.
版權聲明：本文原載2018年3月《科學(xué)》第2期，《返樸》經(jīng)授權刊發(fā)，對原文略有修訂。
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