麻雀与松果体——脊椎动物中禽类昼夜节律的发现--中国期刊网

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麻雀与松果体——脊椎动物中禽类昼夜节律的发现

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技教育（理论版）》2020年6月作者：胡半容

[导读] 昼夜节律为一个内源的，持续的，约24小时一个周期的生理现象，绝大多数由特定细胞内的转录-转译反馈循环或转译后内循环控制。在2017年，C.Hall, M. Rosbash 与M. Young依靠昼夜节律相关的转录转译反馈循环分子机制（Tim 和Per）平分了诺贝尔生理医学奖。

         作者：加拿大多伦多大学细胞生物系胡半容（Brice Hu）

        昼夜节律为一个内源的，持续的，约24小时一个周期的生理现象，绝大多数由特定细胞内的转录-转译反馈循环或转译后内循环控制。在2017年，C.Hall, M. Rosbash 与M. Young依靠昼夜节律相关的转录转译反馈循环分子机制（Tim 和Per）平分了诺贝尔生理医学奖1。
        而昼夜节律本身对所有物种而言，无论植物，动物，真菌甚至细菌都非常重要，小到原始的避光需求（避免阳光对DNA的直接伤害）和食物预测，大到演化后期现代物种所需的依靠光线和不同长度昼夜节律带来的四季感知，以及从四季感知得出来的太阳位置来引导季节性迁徙以及在繁殖期提示身体内分泌系统等各类功能。
        我们的昼夜节律并不是完全准确的，因为一个准确的24小时时钟对于一个物种而言过于昂贵且容错率低，所以我们的昼夜节律实际上是一个接近24小时的时钟，然后根据着每日的日光进行调整：在夜晚早期的时候，光线的出现会让我们认为白天还没有结束，于是体内昼夜节律钟表便延迟了，让我们更晚才会困；而在夜晚晚期的时候，光线的出现会让我们认为白天已经发生了，内部钟表便会将时间前移，在光照的辅助上进行早起。人体的唯一的感光器官在我们的眼睛中，也同样受到人造光的影响。
        在脊椎动物中，昼夜节律最先被研究的数个物种包括禽类中的麻雀，由Menaker Lab的一系列实验支持。

        首先是Menaker 与Eskin在1966年发现了在规律进行的光暗与视交叉上核以及松果体的关联。实验者首先发现失去眼部并不会让麻雀丧失感光的能力，感光的受体出现在眼部以及大脑中间的松果体——麻雀的头盖骨和头部羽毛较薄，光线完全可以透过直接影响松果体。在眼部移除并运用墨水遮盖松果体感光头盖骨区域后，在光线正常的情况下麻雀显示出了昼夜节律的后移2。
        昼夜节律的紊乱是如何定义的呢？首先我们刚刚提到了我们的时钟并不是精准的24小时，而是依靠每日的光照来进行调整，这个每日的光照不止可以使用自然光的太阳，人造光也完全可以，如果我们将被实验的个体放入永夜的环境下，因为没有光线的照射，昼夜循环就会依靠着体内的（比如说25小时的内源节律）来使麻雀活动，那么我们就会发现麻雀的活动会大约每天后移1小时。在实验室的24小时光照情况下，拥有眼睛的麻雀和头皮没有被墨水遮盖的麻雀都可以拥有稳定的24小时昼夜节律，但是双双遮盖的麻雀在正常24小时的光照情况下也拥有了类似于永夜的昼夜循环后移。
        在下图中，记录中较粗的线条代表着活动，而直线代表着睡眠。麻雀是在白天行动的，所以在稳定的昼夜影响改变后（2部分前端），他们逐渐的向右偏移并在一周内稳定在了新的昼夜节律。当实验者将麻雀放入永夜情况下（3），麻雀陷入了昼夜循环后移，依靠着内源节律钟使活动时间每天向后推移。

        Fig 1：Menaker与Eskin的试验结果：区域1为24小时的夜晚-白天-夜晚节律，而区域2为白天-夜晚-白天节律，我们可以看到区域2前期的一段时间的后移实现了“倒时差”；区域3为永夜，可以明显看到活动时间的向后推移。
        与此同时，细胞生物学上的证据也进而证明了麻雀松果体分泌的褪黑素作为时钟的一部分的重要作用。当我们将麻雀的松果体切片培育出来的时候，就算没有其他脑区的任何影响，褪黑素依然会有序的进行一个接近于24小时的循环。当实验者将麻雀的松果体移除后（但依然有眼睛），在永夜的情况下，麻雀的活动瞬间变得无序了。
        该实验室的Zimmerman在1979年进而进行了不同个体间松果体的移植来证明该内源性时钟真实存在于松果体。我们已经知道了移除松果体 + 永夜 = 无序；而松果体+永夜 = 从上一次正常昼夜循环的活跃行为时间点开始每天后移。所以Zimmerson团队提出的问题很简单：如果松果体是内部时钟的源头，那么将在昼夜节律A中训练出来的个体A的松果体移植给昼夜节律B中训练出来的个体B，个体B在经历了松果体移除之后的节律紊乱后，应当会在移植并进入永夜后展现出在昼夜节律A的活跃行为时间点活跃并规律的每天后移。实验结果支持了他们的观点3。

        Fig.2 Zimmerman的试验方法。Donor：器官来源；Recipients：器官接受个体。上层为有序的，精准的24小时昼夜循环，中层为松果体切除后的无序节律紊乱，而下层为松果体移植后的个体，接受松果体移植后的麻雀个体会依赖着器官来源的麻雀个体的24小时昼夜节律，并在之后的永夜状态逐渐后移。
        到此为止，松果体作为禽类内源性时钟的重要地位已经几近不可撼动了：它有规律的释放褪黑素，受到光照的影响，在移除的时候会让麻雀昼夜紊乱，在移植的时候会同时移植内源时钟。依靠着这些基础发现与观察，脊椎动物中几近共通的节律系统得到了更深的了解。

        参考文献：
        1. The Nobel Assembly at Karolinska Institute. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017. The Nobel Prize (2017).
        2. Menaker, M. & Eskin, A. Entrainment of circadian rhythms by sound in passer domesticus. Science (80-. ). (1966) doi:10.1126/science.154.3756.1579.
        3. Headrick Zimmerman, N. & Menaker, M. The pineal gland: A pacemaker within the circadian system of the house sparrow. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 76, 999–1003 (1979).