如何通俗地理解 2017 年諾貝爾生理學或醫學獎「晝夜節律」？該發現對日常生活有哪些影響？

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2017 年諾貝爾生理學或醫學獎授予 Jeffrey C. Hall，Michael Rosbash 和 Michael W. Young，以表彰他們在發現控制晝夜節律的分子機理方面的貢獻。
相關問題：如何理解 2017 年諾貝爾生理學獎「晝夜節律」的分子機制和對普通人的影響？
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北京時間10 月 2 日17: 30，2017年諾貝爾生理及醫學獎獲獎名單揭曉，諾貝爾委員會將此獎項頒發給了美國遺傳學家傑弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和邁克爾·楊（Michael W. Young），以表彰他們在生物節律研究方面所做出的開創性貢獻。

生物節律是什麼呢？說得通俗點，它就是我們平常所說的生物鐘。比如我們人類以及很多其他動物的睡眠控制就與體內的生物節律有關係。有意思的是，生物節律並不是高等動物才有的什麼高級功能，幾乎所有生物，無論是動物還是植物，甚至是單細胞的細菌，都有著生物節律性。

此次獲得諾貝爾獎的三位科學家，他們的工作主要是圍繞果蠅展開的。在果蠅的細胞內有兩種蛋白質，名為PER和TIM。其中，PER的量會隨著時間呈現節律性的變化，當夜晚的時候，PER在細胞內越聚越多，最終結合TIM蛋白，形成一個異源二聚體，就會進入細胞核內，抑制period基因的轉錄。而period基因正是編碼PER蛋白的基因。於是，在白天的時間裡，PER蛋白的量越來越少，被細胞不斷降解。隨著PER量的減少，它對period基因的抑制作用就會減弱，於是PER蛋白的生產量在晚上又重新恢復了。這樣一輪變化的周期恰好就是24小時。至於TIM蛋白，它是由一個叫作timeless的基因編碼的，這個基因與果蠅對光的感受性有關。所以說，果蠅的生物節律既是一個可以在短時間內維持自身準時運轉的穩定系統，又是一個在長時間內可以受到光線影響，重新定義自身周期的動態系統。

我們人類所屬的哺乳動物的生物鐘還要再複雜一些，但其核心仍然是像PER-TIM這樣一對能夠調節自身表達水平的自反饋系統，分別被稱為CLOCK和BMAL1蛋白。兩者結合在一起形成的複合物的結構在2013年得到了解析，發表在了Nature上。這個結構研究工作揭示了CLOCK與BMAL1相互作用的模式，指出了關鍵的氨基酸殘基。有意思的是，對於這些關鍵氨基酸殘基的突變雖然能夠有效破壞這兩種節律蛋白的相互作用，但是對於生物節律系統的衝擊卻非常有限，不過是不足半個小時的延長或縮短而已。這說明，生物節律系統的複雜性和抗干擾性遠超過我們的想像。

實際上，生物節律系統幾乎可以說是一個魔法般的存在。試想一下，僅僅依靠基因與蛋白質這樣的生物材料，大自然竟然搭建出了一個如同鐘錶一樣準確的計時系統，而且還是光控可調的，自穩抗干擾的。發現這一系統背後奧秘的人，獲得諾獎無疑是當之無悔的。或許，這樣一個神奇的系統又會像眼睛或鞭毛一樣，讓神創論者或設計論者拿來當作可以依賴的「證據」。但實際上，這恰恰是進化的結果。地球上所有的生物，它們都是進化的產物，而進化的目的——如果說真有什麼目的的話——都是為了讓他們儘可能地去適應自己的環境。而地球自轉所導致的24小時的晝夜更替，恰恰是包括我們人類自身在內的所有生物都要去面對的一種「環境」因素。

其實，生物節律可以隨光照調節的這種屬性對於生物的生存也是非常重要的適應性。當然，上億年前的恐龍不會來一次跨時區的旅行，也用不著倒時差。但地球上大部分地區的日照時間都會隨著四季的變化而變化，所以我們的生物節律每天也都在做著相應的微調。跨洲飛行導致的倒時差，則是一種劇烈的調節行為，帶給我們的體驗也是相當痛苦的。對於生物節律機制的研究，或許能夠幫助我們在未來開發出一些藥物或療法，讓人類能夠更快、更輕鬆地應對時差效應。

不過，生物節律也並不都是以24小時為周期的。比如築造出了巨大珊瑚礁的小小珊瑚蟲，他們排卵排精的時間非常精確，總是在月圓之夜的同一時間開始，於是能看到珊瑚礁附近像雪一樣飄向海面的珊瑚卵，場面蔚為壯觀。這種精確性是為了確保了受精的高成功率，而其背後的機制同樣與生物節律有關。這套機制同樣靠兩種基因配合完成，其蛋白產物水平會隨著時間周期性波動。只不過，它感受的主要是月光，只有在月光最強的時候，才會開啟引發排卵排精行為的基因。

凡是有機會在月圓之夜到珊瑚礁潛水，見識過珊瑚排卵排精的壯觀場景的人，無不感慨於自然的偉大。其實，當我們熬夜犯困、瞌睡連連的時候，又何嘗不是同樣的偉大機制在發揮功能呢？今天獲得諾獎的三位科學家，他們的研究成果將人類引領進入了生物節律研究的大門，而門裡面還有很多很多的未知等待著後來者的探索。

（各方專業解讀出來之後，有圈外的朋友表示看不懂，我於是在自己的知乎專欄《谷地聽風》寫了這篇淺度解讀，原文鏈接在此。）

勇氣和運氣：生物鐘的分子研究｜饒毅深度解讀2017年諾獎

2017-10-02 知識分子

?2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予傑弗理·霍爾（Jeffrey C Hall）、邁克爾·羅斯巴希（Michael Rosbash）、邁克爾·楊（Michael W Young）。

三位科學家的獲獎理由是：因發現控制晝夜節律的分子機制。

獲獎人簡介

傑弗里.霍爾(Jeffrey C. Hall)傑弗里.霍爾(Jeffrey C. Hall)，美國遺傳學家，1945年出生於美國紐約。1971年在西雅圖華盛頓大學獲得博士學位，1971年至1973年在加州理工學院擔任博士後研究員。1974年，他加入了布蘭迪斯大學任教職。傑弗里.霍爾現已退休。

邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）

邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash），美國遺傳學家，1944年出生於美國堪薩斯城。他於1970年獲得美國劍橋的麻省理工大學博士學位。後在蘇格蘭的愛丁堡大學做了三年博士後研究。1974年以來，在美國沃爾瑟姆的布蘭迪斯大學任職。

邁克爾. 楊（Michael W. Young）

邁克爾. 楊（Michael W. Young），美國遺傳學家，1949年出生於美國的邁阿密。1975年，他在奧斯丁的德克薩斯大學（University of Texas）獲得了博士學位。在1975至1977年間，他在Palo Alto的斯坦福大學擔任博士後研究員。1978年後，他在紐約的洛克菲勒大學（Rockefeller University）任職。

? 生物的生命活動受內在生物節律調控

? 人體在一天中的不同生理活動也受生物鐘調控

《知識分子》主編饒毅歷時4年撰寫兩萬字長文深度解讀生物鐘的分子研究歷史，在十一長假與各位讀者分享智力的愉悅。

勇氣和運氣：生物鐘的分子研究

撰文｜饒毅（《知識分子》主編、北京大學講席教授）

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運氣，外在而縹緲；

勇氣，內生而實在。

運氣不會尋找勇氣；

勇氣可能碰到運氣。

在研究生物鐘基因的過程中，事先難以預料能否取得突破，事後分析發現勇氣足以成功，而運氣是錦上添花，雖然花開的特別燦爛。

生物鐘是生物體內周而復始的節律，如人們熟知的：動物的晝行夜伏、植物的春華秋實…。常見的近24小時晝夜節律（circadian rhythm）是典型的生物鐘之一。

生物鐘現象看似簡單，其實不盡然。人們熟知的向日葵朝向太陽，並非每天太陽先出來、向日葵後轉向，而是向日葵先朝向、而後才有太陽姍姍來遲。

生物鐘的本質難以入手，研究不容易。人們用電生理方法研究而不得入門，1971年從果蠅的一個基因出發開啟了生物鐘的基因研究，23年後才發現哺乳動物第一個生物鐘基因的突變，26年後明確哺乳類的生物鐘基因與果蠅的類似，30年後才發現同果蠅一樣的基因也控制人類生物鐘。

驅動生物鐘的內在機理隨著一個一個基因的發現和研究，逐漸明朗，從果蠅到人存在同樣一批控制生物鐘的基因，它們編碼的蛋白質合作共事，節律性地調節細胞內的基因轉錄，都採用了負反饋模式，並與光和溫度等外界因素協調，從而對應於地球自轉的近24小時節律。

研究生物鐘最重要的六位科學家都在美國，其中五位研究果蠅，一位研究小鼠。加州理工學院的Seymour Benzer（1921-2007）和Ronald Konopka（1947-2015）開創生物鐘的基因研究，發現第一個生物鐘基因period（per）。兩個團隊克隆per基因：洛克菲勒大學的Michael Young（1949-）領導的實驗室，Brandeis大學的Michael Rosbash（1944-）和Jeffrey Hall（1945-）兩個實驗室合作的團隊，他們都還發現調控生物鐘的更多基因。哺乳類生物鐘基因研究的突破來自當時在美國西北大學、現在西南醫學中心的Joseph S Takahashi（高橋,1951-）。

一百多年來，科學家們因研究果蠅而獲1933、1947、1995和2011年四次諾貝爾獎。如無意外，生物鐘的研究將讓果蠅再度引人矚目。

生物鐘的研究歷程，出現過有趣和尷尬的故事？

生物鐘的研究是否終結，沒有重大問題、只剩細節了？

生物鐘研究逾四十年，為何迄今尚未出現有效的應用成果？

行為研究的範式變化

生物鐘可以看成一種行為模式。

行為是可以被其他動物和人類研究者所觀察到的動物外在動作表現。行為研究的範式在1960年以前比較簡單，以描述性為主。

因研究消化系統而獲1904年諾獎的俄國科學家巴甫洛夫（Ivan Pavlov, 1849-1936），後來卻以條件反射的研究更為一般人所熟知。狗見到喜愛的食物會分泌唾液，而原本鈴聲不會誘導狗分泌唾液，但在鈴聲與食物多次同時出現後，單獨出現鈴聲可以誘導狗分泌唾液，說明聲音刺激與食物刺激之間可以建立聯繫。巴甫洛夫稱食物為無條件刺激，鈴聲為條件刺激，對條件刺激的反應為條件反射。這種簡單的行為學實驗是20世紀初行為學的重要進展。

行為學既與生理學和神經生物學相關，也與心理學很近。美國的行為主義開創者John B. Watson（1878-1958）於1913發表《行為學主義者宣言》，提出人和動物的行為都很簡單，由後天經歷所塑造。1920年他用11個月的男孩Albert做實驗，試圖說明只要後天刺激建立他的恐懼行為，把他本不怕的鼠與鐵棒聲音偶聯後，他見鼠和兔狗等其他動物都哭，認為這是條件反射塑造其行為。

美國著名心理學家B. F. Skinner（1904-1990）推廣行為主義，提出所有動物和人一樣，其行為都由後天刺激所塑造，是極端行為主義的代表。他發明了具體的實驗設計：操作性條件反射。巴甫洛夫的條件反射只看動物的反應、不看其動作。Skinner用鴿子做實驗，在鴿籠裝兩個鈕，鴿子碰一個鈕會得到吃的獎賞，觸另一鈕無獎。一段時間後，鴿子會經常去碰有獎鈕，這種條件反射可以由它主動的行為表現出來，而不是流唾液這種被動反應，稱為操作性條件反射，它迄今仍為研究學習記憶的重要模型。

1973年諾貝爾生理學或醫學獎授予研究行為的科學家：奧地利的Konrad Lorenz （1903-1989）和Karl von Frisch（1886-1982）、荷蘭的Nikolass Tinbergen（1907-1988）。他們的研究既不是生理學、更不是醫學，而是通過觀察動物行為作出推論，接近十九世紀的博物學。

von Frisch研究蜜蜂的行為，有多個發現如蜜蜂有內在的生物鐘、有超乎人類的識別偏振光的能力。他得獎是因為發現蜜蜂通過舞蹈傳送信息：一隻蜜蜂發現食物後，飛回蜂巢告訴其他蜜蜂食物所在地的遠近和角度、食物的多少。這是一個奇妙的社會行為，刺激科學界討論動物是否合作、能否交流、以及語言是什麼等問題。

Tinbergen的哥哥是1969年諾貝爾經濟獎得主。Tinbergen研究動物的本能行為。本能的行為是天生（並不一定是幼年表現的）、到一定時候動物會表現的行為，比如生殖行為無需教導、也無需觀察。Tinbergen和Lorenz發現動物有刻板動作，如一對鵝在交配後，公鵝要做一套特定動作；而一些刺激可以誘導特定動作，如有些特徵可刺激魚視之為敵而攻擊。Lorenz也做過本能實驗，但他更著名的研究是行為的印跡（imprinting）。他用灰腿鵝做實驗，在剛從蛋孵化後一段時期內，如果小鵝見到的移動物體只是Lorenz本人，那麼以後這些鵝視Lorenz為母親，他走到哪裡，它們跟到哪裡，甚至長大後碰見真鵝，它們猶豫再三還是跟著Lorenz本人。印跡只能在特定時期產生，稱為臨界期。

1951年Tinbergen提出研究行為有四個方面，兩個近端原因（proximate causes）：發育（行為如何在個體發育過程中形成），機理（個體行為的原理）。兩個終極原因（ultimate causes）：進化，和功能（如打架為了搶配偶或食物）。

行為的研究現在都還有很多停留在描述的程度。如2009年von Bayern等的論文，描述烏鴉如何被迫用小石頭幫助自己獲得嘴巴夠不著的食物。主要的行為學的教科書《動物行為學》超過這篇文章的內容也不多。

生物鐘研究的突破緣於遺傳學的應用。遺傳學從孟德爾經摩爾根到1960年代初主要研究的核心是遺傳的原理，揭示個體和群體的遺傳規律。而1960年代末開始，遺傳學作為重要的工具，提供研究生物現象的途徑。通過突變觀察到基因異常導致的表型，推論基因正常的功能，了解生物學機理。美國生物學家Leland Hartwell（1939-）研究酵母細胞分裂的遺傳突變，推論參與細胞分裂的基因，最後有助於理解人類的癌症。

通過異常現象了解正常規律，通過個別例外發現普適原理，是遺傳學的核心之一。

生物鐘的存在和意義

生物節律與其他節律一樣，有震蕩的幅度、周期、相位。

節律是生物鐘的外在表現，生物鐘是內在的定時機理。生物鐘本身是自我維持的生理和行為節律發生器（pacemaker），可以受外界環境因素（zeitgebers）所導引、從而同步化。

生物有多種節律，不同的生物有著不同的節律，同一生物也有多種節律。有些動物每年一個周期的冬眠、有些植物每年一個周期的長葉落葉，動物還有更快的周期如呼吸和心跳…，而人們熟知的節律是晝夜節律。不僅大家熟悉的睡眠有晝夜節律，很多其他行為和生理指標也有晝夜節律。

公元4世紀，Androsthnenes知道羅望子樹樹葉的運動有晝夜差別（McClung, 2006）。義大利的Santorio Santorio（1561-1636）前後30年記錄自己從早到晚的攝食量、排泄量和體重變化，發現有晝夜規律。但他們未能區分外界影響的節律與生物自主的節律。1729年，法國天文學家Jacques Ortous de Mairan（1678-1771）用含羞草做材料，觀察其葉片和花的變化，將它放置在全暗處一段時間，葉片仍然有張有合，不依賴陽光，但他當時沒敢提出植物的晝夜節律是內在的（de Mairan， 1729；Szymanski，1918）。達爾文也研究過植物的節律，並提出晝夜節律的可遺傳性（Darwin and Darwin，1880）。常見的向日葵好像圍繞陽光的方向轉向，但通過紅外照相機可以看到向日葵朝向東方的行為早於日出，所以也是內在節律所驅動。晝夜節律並不依賴於地球自轉：放到太空，節律照常（Sulzman et al., 1984）。

Aschoff 和Wever （1976）總結人的晝夜節律，德國大學生待在二戰留下的堡壘中，燈光恆定、食物恆定、溫度恆定、聲音控制。在外界環境線索缺乏的情況下，人們仍然保持晝夜節律，只是在十幾天後相位滯後。

現在知道，從簡單的單細胞藍綠藻（cynobacteria）細菌到多細胞的人，很多生物有生物鐘的存在，但並不清楚是否所有地球上的生物都有晝夜節律。晝夜節律周期接近24小時（常見22至25小時）。在環境線索缺乏時可以繼續維持，節律的相位由最後一次環境線索（如光、或溫度等）所確定。在環境噪音中，節律照常運行。在一定範圍內，節律周期並不隨溫度的改變而劇烈改變，有溫度補償機制，這不同於一般生化反應：如溫度每上升10℃，酶的催化活性提高一倍。

晝夜節律的生物學意義目前仍不清楚。當然在進化過程中，生物活動與地球自轉相匹配，也許可以節省能量、或提高效率。但如果沒節律又會怎麼樣呢？藍綠藻有晝夜節律，把正常的藍綠藻與生物鐘周期異常的細菌在一起長期培養，發現最後生物鐘正常的細菌佔了絕大多數，由此可見生物鐘對生物體有利（Ouyang et al., 1998；Woelfle et al., 2004）。擬南芥的研究也觀察到，周期縮短或延長的擬南芥，其固碳量、生長、存活都是與環境設定晝夜周期相吻合的擬南芥最適合，即：短周期突變株在20小時晝夜環境下生活得更好；而長周期突變株在28小時的模擬環境下更好（Dodd et al., 2005）。這些觀察，反映了只有當內外源周期保持一致時才最有利於植物生長。觀察到周期正常有利於植物，不等於能夠解釋為什麼，所以我們仍然是知其然、不知其所以然。

生物鐘研究的新途徑

怎麼研究生物鐘？

能看到動物、植物的變化，是外在表現，而不知道生物鐘的核心：振蕩發生器。

可以看到鐘的長針、短針運動的軌跡，不等於理解了指揮它們運動的機械裝置。

早期科學家用電生理研究生物鐘，插電極到細胞觀察電活動，曾觀察到腦內特定部位SCN（視交叉上核，suprachiasmatic nucleus）的電活動有晝夜周期。用解剖學研究，可以了解哪個器官、組織、部位對於個體的生物鐘至關重要。這一類研究中，在鳥類發現松果體很重要（Gaston and Menaker，1968；Zimmerman and Menaker，1979），而哺乳類動物的主鍾（master clock）被認為是SCN。確定主鐘的實驗有三類，以SCN為例：損毀它導致動物失去晝夜節律（Moore and Eichler，1972；Stephan and Zucker，1972）；將它加回損毀後的動物可恢復晝夜節律（Lehman et al., 1987）；在搗毀後，移植其他動物的SCN，新節律與移植物來源的動物節律一樣，例如，如果移植物來自周期22小時的動物，那麼接受移植的動物周期也是22小時，而如果移植物來自周期20小時的動物，接受移植的動物也獲得20小時的周期（Ralph et al., 1990）。

如果用遺傳學研究生物現象，特別是用前饋遺傳學（forward genetics）——隨機篩選影響特定生物現象的突變——無需假設機理；這有別於通常採用的轉特定基因、敲除特定基因的反向遺傳學（reverse genetics）。這是遺傳篩選的優點，但當時和現在都有人認為遺傳篩選有很大的缺點：很多行為恐怕不是單個或幾個基因所決定的，複雜的行為需要有很多基因參與，用遺傳篩選對單個和少數基因有效，對更多基因參與的行為可能效果很差。

對於果蠅的行為，Jerry Hirsch就認為不能用單基因解釋、也就不能通過遺傳篩選的方法研究行為，只能同時改變很多基因進行代間選擇來推斷。而本哲（Seymour Benzer，1921-2007）認為果蠅的行為可以用突變單個基因的前饋遺傳學來進行研究。1970年代，他們曾發生激烈爭論，Hirsch甚至給本哲所在加州理工學院的每一個教授寫信稱本哲的研究是偽科學。

本哲

紐約出生的波蘭猶太裔美國科學家本哲的大學是物理專業，1945年至1953年任教於普渡大學物理系，先研究過當時的熱門：鍺（Benzer, 1946）。1948年他開始通過參加暑期課程、訪問實驗室來學生物。1953年轉到生物系任教，研究分子生物學，有兩個很重要的工作：遺傳突變就是DNA鹼基序列的變化（Benzer, 1955）；基因的順反子定義（Benzer, 1959）。

?本哲與果蠅模型。圖片來源：wikipedia

在分子生物學做出諾貝爾程度的工作後，本哲與英國科學家、DNA雙螺旋共同發現者Francis Crick（1916-2004），南非猶太科學家、mRNA發現者Sydney Brenner（1927-）等認為，分子生物學的重要問題已解決、框架已建立，以後只有細節給後輩填空，而他們應該找下一個重要的領域。他們都選了神經生物學：Crick決定研究意識；Brenner決定需要新的模式生物研究神經生物學，他挑選了秀麗線蟲，開發了線蟲的遺傳學，帶出一批學生用線蟲研究了發育生物學和神經生物學,雖然失去了mRNA應該獲得的諾獎，但於2002年因為研究線蟲獲獎；本哲學習神經生物學後，決定用果蠅研究神經生物學。1967年，本哲轉到加州理工學院，並開始發表果蠅行為的遺傳學研究論文（Benzer，1967）。

本哲自1967年至2007年一直研究果蠅的行為。他轉而研究神經生物學的初期，不僅同事笑他（研究腦袋愚蠢的果蠅，是不是研究者腦袋有毛病），而且「聰明」的學生一般不樂意跟他（你已經功成名就，不怕掉進陷阱，我們可年輕賠不起，不能捨命陪君子）。這一幕在他和Brenner身上都發生過。早期他們的學生要麼不求功利、要麼不懂生物、要麼……總之大多都不是想安安穩穩的人。

結果，四十年中，本哲和他的學生們研究的很多方面都領先世界，包括學習記憶、性行為、離子通道、眼發育、人類神經退行性疾病的果蠅模型、痛等。他帶出的幾批學生和博士後成全世界神經生物學的重要一支。

本哲的分子生物學研究達到了諾獎程度，而他研究生物鐘也明顯達到諾獎程度。

偷懶是創新之母

1971年和1972年出現三篇文章，用遺傳學研究生物鐘。Konopka和Benzer（1971）發現影響果蠅生物鐘的突變、Feldman和Wasar（1971）發現影響真菌（粗糙麵包霉）生物鐘的突變、Bruce（1972）發現影響綠藻生物鐘的突變。突變是DNA序列的變化，位於特定基因內部、或者旁邊的DNA變化，可能影響基因的功能。有突變就有基因，這是那以前的遺傳學常識。

早在1935年就知道果蠅有生物節律。因為果蠅的研究者多，其研究工具多於真菌和綠藻。當然研究果蠅生物鐘的科學家前赴後繼也很重要。最終，果蠅的研究對生物鐘的理解起到的推動作用不僅多於真菌和綠藻，也多於其他任何生物。

生物鐘的課題為當時還是研究生的Ronald Konopka（1947-2015）所提出（Rosbash，2015），在本哲用遺傳研究行為的總體框架之中。

?Ronald Konopka（1947-2015）

遺傳篩選的實驗設計是：建立檢測表型的方法，用致變劑誘導特定生物的不同基因發生突變，檢測不同突變種的表型。具體到果蠅的生物鐘，就應該是建立檢測生物鐘的方法，用化學誘變劑誘導不同基因突變，然後一隻一隻檢測果蠅，以便發現改變了晝夜節律的突變種。

當時沒人知道果蠅有約兩萬個基因，化學分子誘發隨機突變，只做兩萬隻果蠅不夠，其中部分突變在相同基因，所以應該加幾倍，才可能大部分基因都突變過一次。因行為有漂移，一個基因的突變種，不能僅檢測一隻果蠅，應該檢測幾隻到幾十隻。果蠅是二倍體，每個基因有兩套，一套壞了可以被另一個等位基因所代償，所以最好不要做子一代（F1）的篩選，而最好是F2代，傳代後再篩選，而F2代只有四分之一是同一基因突變的純合子那麼需要篩選的數量應一兩百萬，才算做過全基因組的篩選。

檢測果蠅晝夜節律的標準方法，是將單只果蠅放到透明的管中，管子只容一隻果蠅來回走動。一束光射過小管的中央，凡是果蠅走過管中央，計算機就記錄果蠅運動了一次。以此檢測果蠅活動的變化，發現確實有晝夜規律。如檢測很多果蠅，工作量比較大。

Konopka和Benzer用了兩個偷工減料方法來加快速度。其一是果蠅遺傳學特有的attached X，可以快速檢測X染色體的突變。其二是他們決定不篩選晝夜節律，而篩另一節律：果蠅羽化。果蠅受精卵成為胚胎，發育成為幼蟲，三次蛻皮後成為蛹，蛹經過羽化成為成蟲。

晝夜活動節律是果蠅成蟲每天經歷一次、幾十天周而復始的循環。而果蠅一生僅羽化一次。羽化一般在黎明前，最遲也在上午。三十年代到五十年代的研究明確提出羽化為獨立於溫度的生物鐘所控制（Kalmus，1935，1940a，1940b，Pittendrigh，1954）。但是，一生一次的羽化的生物鐘與成蟲每天的活動生物鐘，是否有關，當時並不清楚。

Konopka覺得羽化作為篩選方法很容易操作。用單只果蠅做經典的晝夜活動規律檢測比較慢。如果用羽化作為篩選方法，就很便當：化學誘變處理得到各種突變的果蠅猴，Konopka每天上午不來上班，午後到實驗室把所有羽化的果蠅倒掉，留下其他蛹，下午到晚上再羽化的就是影響節律的突變種，因為它們的羽化時間不同於正常（所謂「野生型」）果蠅。這樣的方法大大簡化了檢測、加速了篩選。

偷懶，依賴人腦的偷懶，（有時）是創新之母。

生物鐘研究的突破

對於一個研究生來說，用如此簡單的方法，不難篩選幾萬隻、幾十萬隻、幾百萬隻果蠅。但Konopka只篩選了不到兩百種品系的果蠅就得到第一個突變品系，繼續篩選不到兩千種品系的果蠅再得到兩個突變品系。

他們用羽化篩到突變品系後，更重要的是用標準檢測運動的晝夜節律之方法看個體的晝夜活動是否變化，結果發現確實突變果蠅的運動晝夜節律異常。有趣的是，他們發現的三種品系的突變果蠅在表型上並不相同：一種沒有節律，一種節律周期長短加快到19小時，一種節律變慢到28小時。他們進一步將突變種與已有的其他突變交配，確立三種突變在染色體圖譜的大概位置，結果發現很近，他們進一步把三種突變相互交配，進行本哲發明的順反檢測，試圖確立它們是否同一基因，他們根據得到的結果推測三種突變可能是同一個基因的不同突變。他們把這個基因命名為period（簡寫per），無節律的為per0（per zero）、節律短的為pers（per short）、節律長的為perl（per long）。這裡需要說明，他們進行的順反檢測並不嚴格，只做了反位（trans）的檢測沒做順位（cis）的檢測，所以只從1971年的文章不能完全斷定三個突變是否同一基因，雖然當時的結果支持這一可能。

他們篩選的果蠅數量不多，卻得到了一個基因的三種不同方向的突變，因此顯得特別有運氣。

各種篩選和檢測生物鐘的方法，都有可能在一些非生物鐘關鍵的基因導致的突變而有所影響。同一個基因可以出現三個方向的突變，不僅是運氣，而且對於這個基因的功能也提供了很好的支持：很難設想不參與驅動生物鐘的基因可以導致三個不同方向的突變表型。如果三個突變確為一個基因的三種突變，那麼per基因很可能是生物鐘的關鍵基因之一。

本哲於1940年代末期學生物的老師、1969年諾獎得主、德國物理學家轉為美國生物學家的Max Delbrück（1906-1981），這時也在加州理工學院，他聽本哲說結果後，並不信找到了生物鐘的基因：

Max Delbrück: 「I don』t believe it」

Benzer: 「But Max, we found the gene!」

Delbrück: 「I don』t believe a word of it.」

克隆per基因：競爭的好處

1971年，因為技術缺乏，不可能得到per基因的DNA（「克隆基因」）。重組DNA技術於1973年才發明，而克隆果蠅DNA的技術還要等到1978年在斯坦福大學的David Hogness和加州理工學院的Tom Maniatis等人的工作推動下才能進行。待所有技術都成熟以後才開始研究較容易，也容易成為跟風；不待技術成熟就開始研究是開拓，但有很大的危險，如果領先幾十年，可能開拓者一生也用不上。

1980年代是基因克隆的烽火連天時代。兩個團隊競爭克隆果蠅的per基因：洛克菲勒大學的Michael Young（楊邁克）；Brandeis大學的Jeffrey Hall（霍爾）與Michael Rosbash（羅斯巴希）。楊邁克是研究果蠅出身，博士後的老師為克隆果蠅DNA的先驅David Hogness。霍爾是本哲的博士後，懂果蠅，到Brandeis後與分子生物學專長的同事羅斯巴希合作。這些科學家都還有其他研究課題，楊邁克同時在與耶魯大學的希臘裔生物學家Spiros Artavanis-Tsakonas競爭克隆Notch基因，霍爾還在研究果蠅性行為的fruitless基因，羅斯巴希多年用酵母研究mRNA剪接機理。

?左起分別為，邁克爾·楊（Michael W Young）、傑弗理·霍爾（Jeffrey C Hall）、邁克爾·羅斯巴希（Michael Rosbash），三人曾獲得2013年第十屆邵逸夫獎生命科學與醫學獎。

1984年，楊邁克和霍爾—羅斯巴希兩個團隊都拿到Per基因附近的基因組DNA（Bargiello and Young，1984；Reddy et al., 1984; Zehring et al., 1984）。這段DNA可以產生4.5kb和0.9kb兩種mRNA，所以可能對應兩個基因。霍爾—羅斯巴希組觀察到0.9kb之mRNA的含量有晝夜變化（Reddy et al., 1984; Zehring et al., 1984），認為相應的DNA為per基因。楊邁克認為4.5kb對應的基因是Per基因。後來兩個團隊都確認4.5kb對應的是per基因（Bargiello et al., 1984； Hamblen et al., 1986; Lorenz et al., 1989）。將編碼4.5kb mRNA的基因組DNA轉入果蠅，可以使per突變種果蠅的晝夜節律恢復正常。進一步發現改變導入的per基因表達的相位可改變果蠅晝夜節律的相位（Edery et al., 1994）。

在兩個團隊的競爭過程中，一個組出現錯誤（霍爾—羅斯巴希組最初錯認了per基因），被另外一個組糾正，這是競爭對科學界的好處。

兩組科學家都確定了per基因在最初三種突變株的DNA變化：per0、pers、perl分別是提前終止、和兩個不同部位的鹼基變化（Baylies et al., 1987; Yu et al., 1987a）。

霍爾—羅斯巴希組的中國留學生俞強還發現，缺失per蛋白質特定一段區域，晝夜活動節律不受影響，隻影響求偶時果蠅翅膀有節律的歌唱（Yu et al., 1987b）。霍爾實驗室在1980年發現果蠅求偶時的翅膀振蕩有節律（Kyriacou and Hall，1980），其後有爭議，近年有人正式提出商榷（Stern, 2014; Kyriacou et al., 2017; Stern et al., 2017）。

霍爾—羅斯巴希組早期參與生物鐘研究的中國留學生有：復旦大學本科畢業的俞強，北京醫學院的劉欣（Liu et al., 1988, 1992），復旦的黃佐石（Huang et al., 1993），武漢大學的曾紅葵（Zeng et al., 1996）。

per的功能：競爭的壞處

拿到基因，令人鼓舞。

但是，拿到基因不一定就能夠立即知道機理。正如測序人類基因組只是工具，而不是美國總統等政治人物在一些羞恥感比較弱的科技工作者誘導下稱測序人類基因組就是揭示人類奧秘。今天對人類的奧秘還遠遠不清楚，單純測序本身也沒有自動解開人類奧秘。

同理，拿到了per基因的DNA，並不知道它所編碼產生的蛋白質的功能，也不能推導出生物鐘的機理。有時，拿到基因後很長時間都不能理解其功能，也就不能理解生物學過程或者人類疾病的機理。比如，萊－尼（Lesch-Nyhan）綜合征，病人自殘，是很特殊的疾病，其基因已經知道多年，編碼HGPRT（次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶），是核酸代謝的一個酶，但知道基因、知道蛋白質都不能告訴我們為什麼病人會自殘，也不能告訴我們有殘害他人能力的人們絕大多數都不會自殘的生理學原因。

要推出基因編碼蛋白質的功能，如果其預計的氨基酸序列與其他某種蛋白質有相似性，那麼功能就可能相似，從而可以提供研究的著手點。兩個組都看到per蛋白質有部分序列是重複的，楊邁克實驗室還以為它相似於小鼠的序列（Shin et al., 1985），後來發現並非如此。

1986年，兩個課題組都發表文章稱per蛋白質是蛋白多糖（Jackson et al., 1986; Reddy et al., 1986）。這次兩個課題組都錯了，競爭的課題組錯成一樣是咄咄怪事。

1987年，楊邁克課題組與愛因斯坦醫學院的David Spray實驗室合作，進一步發表文章（Bargiello et al., 1987），稱Per影響了細胞間交流（提示per可能起縫隙連接相關的功能，比如縫隙蛋白），這一結果很可能是從猜測per是蛋白多糖——可能是膜蛋白——所以可能是縫隙蛋白的潛意識造成。但這一結果不能重複，1992年楊邁克和Spray合作團隊不得不道歉並收回1987年令人矚目的《自然》文章（Saez et al., 1992）。霍爾—羅斯巴希組於1993年也發表文章說明Per不參與細胞間連接（Flint et al., 1993）。

從1984至1987，在激烈競爭的過程中，兩個課題組都錯了兩次：各自分別錯了一次，同時錯了一次。同一項研究錯過兩次的比較少，出一樣的錯不免尷尬。

per mRNA的研究：仔細不是壞事

克隆獲得了基因，再看基因的表達是自然的延伸。

分子生物學的「中心法則」：DNA—RNA—蛋白質。DNA承載遺傳信息，可以複製和遺傳；在DNA指導下，遺傳信息轉錄為信使核糖核酸（mRNA）；在mRNA指導下合成蛋白質，蛋白質再起各種功能。不同基因轉錄產生不同mRNA、得到不同蛋白質，產生不同功能。

檢測基因表達可以檢測mRNA的表達，也可以檢測蛋白質的表達。一般來說，一個動物的大部分細胞含有同樣的DNA，而含有不同的mRNA和蛋白質。霍爾—羅斯巴希組、楊邁克組都檢測per的mRNA和蛋白質表達在什麼時間和空間（James et al., 1986；Saez and Young, 1988；Liu et al., 1988；Siwicki et al., 1988；Zerr et al., 1990；Liu et al., 1992），其中費了很大的勁製造per蛋白質的抗體，因為mRNA只能抗基因表達的區域和細胞，幫助理解哪些區域和細胞可能是果蠅的生物鐘。但mRNA不能看到其產物蛋白質所在的亞細胞定位，而抗體可以識別蛋白質而確定per蛋白質在細胞內的位置。per蛋白質好像既可以存在於細胞核、也可以存在於細胞質（Saez and Young，1988；Siwicki et al., 1988）。到1992年，劉欣的文章才確認per蛋白質存在於細胞核（Liu et al., 1992）。

既然per基因參與晝夜節律，那麼per的基因表達（mRNA或者蛋白質）是否也有時間調控，例如晝夜差別？ 1988年，霍爾—羅斯巴希組提出per的蛋白質有晝夜變化（Siwicki et al., 1988）。per的mRNA是否有晝夜變化？理論上，研究RNA變化比研究蛋白質容易，因為不依賴於獲得好的抗體，而只要得到基因的DNA就很快可以通過普通的分子生物學方法研究mRNA的表達。但最初未見per的mRNA晝夜變化。一個可能是做實驗的人技術不好、或不仔細，一個可能是偶然的：傳說最初檢測per mRNA的人，是從果蠅全身獲得RNA，只分晝夜時間、不分身體部位。而出現突破的1990年，是從果蠅頭部提取RNA，避免其他部分（如腹部）所含RNA掩蓋了頭部mRNA。

為什麼需要專門研究頭裡的per基因?這與晝夜節律的關鍵部分存在於身體什麼部位有關。在得到per基因突變後，Handler和Konopka專門在不同突變型的果蠅之間進行局部細胞的移植，以便確定哪個部位起決定性作用。從pers果蠅取得腦組織，移植到per0果蠅腹腔中，發現per0變成了pers，顯示腦確定節律（Handler and Konopka，1979）。1983年，離開加州理工學院在Clarkson大學的Konopka等再用遺傳嵌合體做實驗，讓果蠅部分區域的細胞含突變的per（如pers），而其餘部分仍然正常，結果發現：如果腦含pers，果蠅的生物鐘就變短（Konopka et al., 1980）。所以，移植實驗和嵌合體實驗皆支持per基因在腦中控制全身的晝夜節律。

1990年，霍爾—羅斯巴希組的博士後Paul Hardin終於每個小時取果蠅的頭得到mRNA，再檢測per的mRNA，發現它呈晝夜變化（Hardin，Hall，Rosbash，1990）。在pers中，per的mRNA晝夜周期也縮短。他們提出簡單的模型：per的基因轉錄per的mRNA、翻譯產生per蛋白質的過程存在負反饋，per的mRNA或蛋白質產生後，可以影響per基因自身的轉錄。他們當時不能排除per調節晝夜節律這一行為之後，行為再通過更複雜的反饋作用於per基因轉錄。這裡需要用Occam剃刀原則，既首先檢測最簡單的可能性。這一簡單解釋提供了生物鐘機制的理論突破，是迄今為止仍被公認的「轉錄—翻譯負反饋環路（transcription-translation feedback loop, TTFL）」的基礎，羅斯巴希稱讚提出這一模型的博士後Hardin。

如果這一假設正確，那麼per蛋白質就是基因的轉錄調節因子。而對於轉錄因子，1980年代有很多進展，從而可以為研究per和生物鐘的機理提供很好的借鑒。

不久，霍爾—羅斯巴希組的Zerr又用抗體檢測提出per蛋白質的表達，在部分腦區也有晝夜節律，這種節律的長短也被per本身所調節，因為在生物鐘縮短的果蠅突變種pers中，per的蛋白質晝夜周期也縮短（Zerr et al., 1990）。mRNA的晝夜節律與蛋白質晝夜節律之間有一定的間隔，也就是相位不同。幾年之後知道不僅per蛋白質含量變化，而且其亞細胞定位變化：晝夜周期中，per蛋白質進入細胞核的時間有晝夜周期變化（Curtin et al., 1995）。

基因轉錄調控

1990年，研究果蠅生物鐘的Hardin等提出per蛋白質可能調節基因轉錄，依據的是間接證據。

1991年和1992年，其他途徑的研究發現了幾個與per有相似性區域的蛋白質。研究果蠅胚胎髮育的Crews實驗室發現一個基因single minded（sim），其缺失導致果蠅胚胎腹側中線的神經細胞缺乏（Nambu et al., 1990）。研究環境致癌物的Hoffman等和Burbach等，發現一個被致癌物二惡英(dioxin)作用的受體Ah R（Hoffman et al., 1991；Burbach, Poland, Bradfield, 1992）。per、Ah R和sim三個蛋白質都相似的區域稱為PAS區域。

因為AhR確定是轉錄因子，而且有專門調節轉錄的區域bHLH，所以提示per和SIM也是轉錄調節因子，但per缺AhR具有的轉錄調節區域，只有PAS區域。1993年，羅斯巴希實驗室的黃佐石證明，PAS區域是蛋白質—蛋白質相互作用區域，PAS和PAS可以偶聚化（Huang, Edery and Rosbash，1993）。進一步研究提出，具有bHLH和PAS區域的蛋白質可能是轉錄激活因子，而只有PAS但缺乏bHLH的per蛋白質不能激活轉錄但可以抑制能夠激活轉錄而同時有bHLH和PAS區域的蛋白質（Lindebro, Poellinger and Whitelaw，1995）。

Hardin自己獨立實驗室後，證明per蛋白質調控per基因轉錄，依賴於per基因在蛋白質編碼區域之上游（分子生物學稱為5』端）的DNA序列（Hao, Allen and Hardin, 1997）。以後有更多證據表明，per參與轉錄調節，而且與多個基因有關。

更多參與果蠅生物鐘的基因

影響生物鐘不可能只有一個基因。

1971年發現第一個影響果蠅生物鐘的基因per。

1983年，Jackson發表了影響果蠅生物鐘的其他基因（Jackson，1983），但無果而終。

1990年，霍爾—羅斯巴希組發表「新」的果蠅晝夜節律基因「鍾」（Clock）（Dushay et al., 1990），不夠他們於1992年發現這不是新的基因而僅為per基因的另一突變而已（Dushay et al., 1992），辛勤努力化為一江春水。

1991年Konopka 等發表第二個影響果蠅生物鐘的基因Andante （Konopka, Smith and Orr，1991）。注意這一基因的人不多，到2003年它才被Tufts大學的Rob Jackson實驗室所克隆（Akten et al., 2003）。

1991年洛克菲勒大學楊邁克實驗室的Sehgal等在會議上報道她們篩選影響果蠅生物鐘的新基因（Sehgal et al., 1991）。

1994年，楊邁克實驗室報道他們發現了timeless基因（「無時間」，簡稱Tim），這次Seghal等通過篩選7千多個突變種找到第三個影響果蠅生物鐘的新基因（Seghal et al., 1994）。他們用了轉座子插入誘導突變，以利克隆基因，而最初的檢測也是羽化，其後用活動節律核實確實影響了晝夜節律。她們還發現tim的突變也影響per的RNA晝夜變化，所以與per基因相關。楊邁克實驗室的研究生Leslie Vosshall發現Tim影響Per蛋白質出入細胞核（Vosshall et al., 1994）。

楊邁克實驗室很快克隆到tim基因（Myers et al., 1995）。雖然預計的tim蛋白質序列看不出它是怎麼作用的蛋白質，但因為它可以結合per，那麼估計也是轉錄因子。羅斯巴希實驗室的研究生曾紅葵發現tim與per兩個蛋白質的相互作用有晝夜節律，而光可以調節tim蛋白質的穩定性，從而提供了光對生物鐘的調節的分子機理（Zeng et al., 1996）。

調節其他生物晝夜節律的基因

多種生物，從細菌、植物到包括人在內的動物，都有節律、有晝夜節律。存在於多種生物的生物鐘，是否用同樣的分子？是否用同樣的機理？

粗糙麵包霉（neurospora）的生物鐘基因Frequency （frq，「頻率」）於1989年被克隆，當時以為它與per有部分序列相似（McClung, Fox, Dunlap，1989），後來發現不相似。

控制有些細菌生物鐘的基因也紛紛被克隆（如，Liu et al., 1995）。

1995年，調節植物（如擬南芥）生物鐘的基因被克隆（Millar et al., 1995）。

很多人關心的是：哺乳類的生物鐘，用什麼基因？

千呼萬喚始出來：哺乳動物的生物鐘基因

調節哺乳動物生物鐘的第一個基因tau的突變種於1988年被偶然發現（Ralph and Menaker，1988），但基因克隆需要等到2000年（Lowrey et al., 2000），它編碼一個蛋白激酶（CKIε）。

在克隆了果蠅per基因的1984年至1997年，有很強烈的希望找到哺乳類生物鐘基因，明顯應找類似per的基因，但這一途徑費盡九牛二虎之力，並無顯著成果。曾找到了蠶的per基因（Reppert et al., 1994），但它無助於找哺乳類的per。

時代呼喚英雄，找到哺乳類生物鐘基因的英雄。

在美國芝加哥北郊西北大學工作的日裔科學家高橋決定不再依賴容易的方法，而用老鼠做遺傳篩選。

果蠅很小、生活周期短，方便且便宜。用要貴很多。如果通過篩選找基因，那麼除了如果蠅一樣算數量，還要考慮經費。為了在一定範圍省時間和經費，高橋實驗室不篩選純合體突變種，而篩雜合體。不過篩雜合體雖然省了工作量，但也降低了突變檢出率。即使這樣，也需要超過十萬隻的老鼠才能篩一遍。有個笑話：做這種實驗，類似把豪華旅館獻給老鼠。

1994年，可能世界上沒一個實驗室認為自己有足夠的經費。很可能用完了經費還找不到影響老鼠生物鐘的基因，所以沒人敢做。

高橋帶領實驗室是發憤圖強、還是鋌而走險?

他們的勇氣遇到了運氣。他們當時一共只研究了304隻小鼠，第25隻就是影響生物鐘的突變體，他們從而發現了影響老鼠生物鐘的基因，他們命名為「鍾」（Clock）（Vitaterna et al., 1994）。正常老鼠生物鐘的周期是23.7小時，Clock雜合的突變鼠晝夜節律為24.8，變化可謂微妙，需要可靠的檢測才能發現。從雜合體檢測出微小但可靠的變化後，高橋實驗室很容易通過交配小鼠而獲得Clock基因突變的純合體，其表型很強：完全喪失節律。

1997年，高橋實驗室在《細胞》雜誌發表兩篇論文，報道他們克隆的老鼠Clock基因（King et al., 1997；Antoch et el., 1997）。

老鼠Clock蛋白質不僅有與蛋白質相互作用的PAS區域，而且有直接結合DNA的bHLH區域（King et al., 1997），從而更容易理解它如何調節基因轉錄。Clock基因本身也表達於SCN。他們還發現人、雞、蜥蜴、蛙、魚也有Clock基因（King et al., 1997）。

果蠅與哺乳類是否有類似的分子機理?

如果果蠅的per基因只是在果蠅和昆蟲起作用，那麼意義就有限。如果找到高等動物的Per並因此開啟研究高等動物生物鐘的分子機理，那麼意義就較大。

果蠅的per基因在1984年被克隆後，長期有人（如麻省大學伍斯特校區的Steven Reppert）試圖在高等動物中找到Per基因，但無果。一般來說，一個基因在低等動物中發現後，在高等動物中比較容易找到，有多種方法可以通過DNA序列相似性找到。找不到有幾種可能：Per在高等動物不存在，例如果蠅的生物鐘可能高等動物的生物鐘不同，也可以是果蠅和高等動物生物鐘大體類似但其中有分子不同（如果蠅用per但高等動物不用）；另一可能是研究者技術上的問題，在高等動物存在Per基因，但未被找到。從1984年到1997年的努力都找不到哺乳動物的per基因的情況下，很多人灰心地認為恐怕哺乳類無Per。

1997年，兩個實驗室歪打正著，找到老鼠和人的Per （Tei et al., 1997；Sun et al., 1997）。美國華人科學家在研究其他問題的時候，發現一個基因與per有序列相似性（Sun et al., 1997）。比較它們後知道，以前沒找到的原因是哺乳類的Per與果蠅的per基因在整個基因的相似性不很高，而局部很高。以前用整體去找很難找到，而用局部的困難在當時並不知道哪段是保守的。

哺乳類的Per基因有三個：Per1、Per2、Per3（Shearman et al., 1997），Per基因表達在SCN（Shearman et al., 1997），其表達隨晝夜節律變化而變化，這一節律受Clock基因的調節（Jin et al., 1999）。

1998年，霍爾—羅斯巴希組通過遺傳篩選，也在果蠅找到Jrk基因，發現就是果蠅的clock基因（Allada et al., 1998）。有趣的是，Steve Kay實驗室發現clock蛋白可以激活帶有per基因啟動子片段E-box驅動的熒光素（luciferase）報告基因的表達，這一激活能被per自身所抑制，從而較好地實現負反饋環路的閉合（Darlington et al., 1998）。

首先在果蠅發現的per基因終於在哺乳類找到了，而首先在老鼠發現的基因Clock也在果蠅中發現了，從昆蟲到哺乳類，生物鐘的基因看來高度保守。這雖然是基因水平，但提示機理也保守。

從研究來說，鑽研果蠅生物鐘的科學家們就不用再擔心是自己怪癖，而確實可能是探討和揭示動物相通的普遍機理。

果蠅遺傳篩選對生物鐘研究的重要性

在生物鐘的基因研究過程中，果蠅一馬當先，科學家從中發現了per（Konopka and Benzer，1971）、andante （Konopka, Smith and Orr，1991）、tim（Sehgal et al., 1991, 1994）。

用果蠅研究生物鐘，在速度、價格、工作量上都優於哺乳類。用細菌、真菌、植物研究生物鐘，也可以有這些優勢，但它們的生物鐘基因與動物的不同，研究它們不能揭示哺乳類的生物鐘機理。

當然，在從各種生物得到答案之前，人們無法預料生物鐘的機理保守的範圍。但事後可以總結果蠅對於生物鐘研究的重要性。

並非所有低等生物的研究都適用於高等生物，有些相通、有些不同。例如：細胞周期的原理從酵母到人都保守，而性別確定的機理從果蠅到人類並不保守。雖然研究低等生物特有的生物學原理也有科學意義，但人偏於關注對高等生物適用的分子和規律。

在發現per、andante、tim等基因之後，科學家們還多次用果蠅繼續篩選影響生物鐘的基因。

霍爾實驗室建立用熒光素接在per基因位點，用酶活性間接報告per的轉錄情況（Brandes et al., 1996；Stanewsky et al., 1997； Plautz et al., 1997），篩選了5137株影響熒光素表達的果蠅突變種，發現chryptochrome （cry）基因參與果蠅生物鐘（Stanewsky et al., 1998）。用果蠅的遺傳研究發現cry的作用在於介導外界的光調節身體內在的生物鐘（Stanewsky et al., 1998）。生物鐘在沒有外界環境影響的情況下，可以自行運轉。在外界環境作用下，生物鐘與外界相配合。雖然其他如聲音、溫度、進食也可影響生物鐘，外界的光當然是調節生物鐘的關鍵因素之一。cry功能的發現解決了一個重要的問題。這裡也可以看到，遺傳篩選不僅為了找到基因，而且有時可能從基因編碼的蛋白質推測出分子機理，而了解機理是生物學基礎研究的核心。cry本身的mRNA表達也有晝夜節律，它也調節per和tim表達與光的關係（Emery et al., 1998；Stanewsky et al., 1998）。

果蠅有4套染色體。羅斯巴希—霍爾合作篩選第三號染色體，用化學誘變得到遺傳突變種，篩選了6千多種以後，發現jrk基因（Allada et al., 1998）。令人欣慰的是，果蠅的jrk原來就是小鼠Clock基因的同源基因。再找到的cycle基因，也有小鼠的類似基因Bmal（Rutila et al., 1998）。再度證實從昆蟲到哺乳類用同樣的基因調節生物鐘。

楊邁克實驗室在果蠅的第2和第3號染色體篩選了多於1萬5千種突變，發現了他們命名為doubletime的（「加時」）基因，而它編碼了酪蛋白激酶ε（CKIε）（Price et al., 1998）。它可以調節per蛋白質的穩定性。高橋實驗室於2000年克隆了金倉鼠的tau基因，發現原來也是CKIε（Lowrey et al., 2000）。開始研究蛋白激酶導致磷酸化、磷酸化調節蛋白質穩定性。

到2001年，已知多個基因在果蠅和小鼠都調節生物鐘：包括果蠅的一個per和小鼠的三個Per基因、果蠅的一個cry和小鼠的兩個Cry基因、果蠅的一個jrk/clock和小鼠的兩個Clock基因（Clock和Npas2）、果蠅的cycle和小鼠的Bmal1基因、果蠅的doubletime和小鼠的CKIδ和CKIε基因（Reppert and Weaver, 2001）。

篩選生物鐘相關基因的其他途徑

在完全不理解分子機理的情況下，用遺傳篩選生物鐘，是很強的方法。從分子上，稱之為「盲篩」，未嘗不可。盲篩的優點在於無需事先知道機理，而通過遺傳得到突變、DNA克隆得到分子、分子的序列特徵或更多研究，再揭示機理，或提供揭示機理的可能性。這是一些人所謂的「遺傳學的令人敬畏的力量」（the awesome power of genetics）。這一途徑被用於多個重要問題的研究，生物鐘是早期的研究對象之一，但非唯一。

在有其他線索時，在有其他突破點時，自然也無需假定遺傳學是唯一途徑。

在生物鐘研究中，當人們知道Per的mRNA表達有晝夜節律， Per蛋白質與Tim蛋白質有相互作用，蛋白激酶參與生物鐘，那麼可以通過這些特徵找其他基因（Abruzzi et al., 2017）。當技術發展，如分子生物學的RNAi（RNA干擾）技術等之後，也自然可以用新技術研究老問題。

事實上，早在1995年，哈佛醫學院Weitz實驗室的Gekakis等通過Per蛋白質尋找與Per直接相互作用的蛋白質，找到Tim蛋白質，發現Tim與Per兩個蛋白質直接結合（Gekakis et al., 1995）。他們用酵母雙雜交得到的這一發現與同期楊邁克實驗室用果蠅遺傳篩選的途徑異曲同工。而當時在美國聖地亞哥加州大學（UCSD）Steve Kay實驗室做博士後的張二荃首次用RNAi篩選生物鐘的基因，他利用當時已知多種細胞有生物鐘，而在體外培養的人類細胞用Per基因插入熒光素基因，通過熒光素基因的表達周期顯示生物鐘，張二荃因此找到影響人類生物鐘的基因（Zhang et al., 2009）。當然用活人是很難篩選基因的，但用體外培養的細胞就容易多了。

從1971年的果蠅篩選到2009年人的篩選，研究的時間跨度很大，但基因並沒有找全。果蠅的篩選就沒有篩完，而是每次都有局限，哺乳動物的篩選更沒有完。如果以後有更多、更好的途徑和方法，包括現有和已經用過但並未充分使用的方法，再發現影響生物鐘的基因，不會令人驚訝。

分子機理和細胞機理

發現基因固然重要。

但生物學基礎研究的目的是闡明機理。

綜合多年的研究結果，可以看到，Per調節基因轉錄，是分子機理的突破。簡而言之，Clock和Cycle蛋白質組成複合體，直接刺激一些下游靶基因的轉錄，這些靶基因進一步控制生物鐘。而Per和Tim蛋白複合體抑制Clock和Cycle的作用。Per基因和Tim基因本身還是Clock和Cycle的靶基因，從而組成轉錄反饋環。Per蛋白質的穩定性被磷酸化所調節，也就被doubletime或CK1δ和ε等蛋白激酶和去除磷酸化的蛋白磷酸酶所調節（Wijnen and Young，2006；Benito et al., 2007）。還有糖化修飾調節Per和Clock蛋白質。Cry介導光調節Tim/Per的穩定性。在Clock/Cycle和Per/Tim參與的主要轉錄環之外，還有其他轉錄環。還有其他基因如pdp1、vri、RORa和REV-ERBα參與轉錄調控。

Per和Tim蛋白質不僅有穩定性的問題，而且還有亞細胞定位問題：在細胞漿、還是細胞核。作為轉錄調節因子，它們只有在進入細胞核才能見到基因調節的機器，才能調節基因轉錄（Siepka et al., 2007；Dubowy and Sehgal，2017）。Per和Tim的mRNA在白天逐漸升高，到傍晚大大最高峰。兩個蛋白質的合成晚於其mRNA幾小時後逐漸積累，先在細胞漿，午夜進入細胞核。Tim蛋白質既在細胞漿內穩定Per蛋白質，也促進Per進入細胞核（Meyer, Saez and Young，2006）。

有趣的是，雖然細菌、真菌、和植物分別由其他分子組成生物鐘，核心都是振蕩器。這些生物的振蕩器由不同的分子組分，也是通過正反饋和負反饋來實現。外界的光或其它因素通過一定方式影響生物鐘的它們也用了轉錄調控、和磷酸化調節等（綜述見Wijnen and Young，2006）。而植物的生物鐘還用了細胞漿和細胞質定位的調節（Wang and Tobin，1998；Mas，2008）。因此，從細菌到人不同生物的生物鐘存在原理的共同性。

在細胞層面，目前認為，動物體內絕大多數細胞（甚至所有細胞）都有生物鐘（Emery et al., 1997；Giebultowicz and Hege，1997；Plautz et al., 1997）。果蠅的翅膀切下後依然可以觀察到其中的生物鐘影響，人的肝臟細胞體外培養也表現出代謝上的節律。現在認為生物鐘分為中樞的主鍾和外周的鐘。

在果蠅體內，推測大約150個表達Per和Tim基因的神經細胞組成主鍾（master clock），在哺乳類由SCN組成主鍾。小鼠的SCN含約兩萬個細胞，人的SCN約五萬細胞。外周鍾可以自行運轉，但主鍾控制全身的外周鍾，特別是同步化外周鍾。

Konopka和Benzer在1971年的文章就指出，突變基因起作用的解剖部位很重要。也就是說如果能夠找到這些細胞，就可能找到主生物鐘。一般推測果蠅腦含約25萬個神經細胞，而其中150個細胞是主生物鐘的推測是依據Per和Tim的功能和基因表達部位（Konopka and Benzer,1971；Vosshall and Young, 1995；Kaneko，Helfrich-Forster, Hall，1997；Panda，Hogenesch and Kay，2002；Helfrich-Forster, 2005）。它們包括：背側的神經元DN1、DN2、DN3，側後神經元LPNs，側面偏背神經元LNd、側面偏腹小神經元sLNvs、側面偏腹大神經元lLNvs。其中lLNvs神經元全部含PDF神經肽，而5個sLNvs中4個含PDF（Nitabach and Taghert，2008）。PDF在生物鐘也起重要作用（Renn et al., 1999）。這些細胞的功能也不一樣，含PDF的sLNvs細胞為控制果蠅早上活動的早晨細胞，而LNd和不含PDF的sLNvs細胞為控制果蠅傍晚活動的傍晚細胞。

哺乳動物的主鍾內部也有分工和協調。SCN的神經細胞分離的狀態下，分別有節律但不同步，而它們在一起時節律同步，有神經肽等分子參與，有神經網路。

人的生物鐘相關基因

雖然生物鐘對人很重要，而我們較晚理解人的生物鐘理解。遺傳和基因分析起了突破性的作用，並且與果蠅相似。

用8753對成年雙胞胎的研究表面，人的晝夜節律與很強的遺傳性（Koskenvuo et al., 2007）。

2001年，舊金山加州大學（UCSF）的Ptácek和Fu兩個合作實驗室發現，人的Per2基因（hPer2）與人的生物鐘相關。他們研究了一家遺傳性的相位變化。這家人的相位變快（家族性睡眠相位提前綜合征，FASPS），每天早上4點半醒，晚上7點半要睡，相位比一般人提前4小時。Ptácek和Fu對此家系的遺傳分析發現，他們中凡有hPer2編碼的特定位點（對應於其蛋白質序列的662位氨基酸）變化後，就患相位提前的病，凡是這個位點正常的人，就沒有相位提前病（Toh et al., 2001）。662位點相應的氨基酸是絲氨酸（簡稱S），他們當時以為S662是由CKIδ所磷酸化。2005年在Ptácek和Fu實驗室工作、現任教於蘇州大學的徐瓔發現CKIδ基因突變也能在人和小鼠導致相位提前（Xu et al., 2005）。

其後有更多基因被發現參與人的生物鐘（He et al., 2009）。楊邁克實驗室於2017年發現人的Cry1基因突變可以導致生物鐘相位推遲（晚睡晚起）（Patke et al., 2017）。

運氣和勇氣：孰輕孰重

生物鐘遺傳研究確實有運氣，但也有勇氣。

在看不清前途時默默探索，在一個小領域內長期耕耘；遇困難出差錯恐在所難免，碰運氣獲機遇也時有所得。

粗看似乎運氣重要，細看可見勇氣重要：勇於做前人沒做過、旁人沒想過、偉人不相信的工作。

Konopka和Benzer從兩千隻果蠅中篩到三隻突變果蠅，竟然是同一個基因的三個影響完全不一樣的突變。遺傳學研究的歷史上可能只有這一次小規模篩選中出現一個基因的三個功能改變的情況；生物學歷史上，這可能也是絕無僅有；說不定科學史上也是鳳毛麟角。如果沒有這樣的突變，可能還有些人會比較猶豫生物鐘能否用遺傳進行研究，因為可以設想一些在果蠅生物鐘篩選方法中有表型，但不一定反映生物鐘核心機構的基因。表型能否可靠並直接地幫助遺傳學家研究核心問題，是一個非常重要的問題。果蠅生物鐘的表型，幾十年後的今天看來非常可靠，但當初並不清楚。正如今天問：從果蠅檢測的睡眠，是否真是睡眠？很多人，包括研究果蠅的科學家，都不敢清晰地回答這一問題。

高橋實驗室在老鼠的篩選過程中，第25隻老鼠就是影響生物鐘的突變，也有很大的運氣。如果沒有這樣的運氣，就要花很多的時間，而且老鼠的研究很費錢，沒有足夠的人力物力就做不成。一般人預計到成本，就不能做這樣的研究。

現在我們可以事後諸葛亮，總結以後多個實驗而意識到：實際上只要做足夠的篩選，不是篩兩千隻果蠅，而是篩兩萬隻果蠅，基本一定能找到生物鐘的突變。雖然不會得到一個基因的三種不同方向的突變，但同樣會帶來突破的可能性。多次篩選果蠅生物鐘突變種的多次篩選，只有兩次比較倒霉，一次是重複發現以前的基因、一次搞錯了，其他都找到基因，而且是新的基因。

高橋實驗室用老鼠篩選生物鐘突變基因，也有運氣。但事後看來，如果有決心、經費夠，篩選超過幾千隻就應該能得到影響生物鐘的基因。而幾千隻老鼠的經費，並非只有高橋實驗室才有。對這一經驗的總結並非徒勞，原在美國西南醫學中心、現在日本筑波國際睡眠醫學研究所的Masashi Yanagisawa及其團隊，就用較大經費專門篩選小鼠睡眠的突變種，找到影響小鼠睡眠的基因（Funato et al., 2016）。

Konopka在研究過程中遇到了生物學空前絕後的運氣，但個人機遇卻相當不好。他畢業後到斯坦福大學做過短暫博士後，1974年回加州理工任助理教授，但評終身教授時未通過，主要原因是文章太少。他到Clarkson大學任教，因人事變動，再次未獲終身教授，1990年回到加州輔導高中生，2015年心臟病去世（Rosbash，2015）。

懸而未決的問題

今天，生物鐘的重要問題並未全部解決。

已經發現的參與生物鐘的基因，其機理並非完全清晰。例如，研究的最多、時間最長的是Per，但迄今並不十分清楚Per蛋白質如何調節基因轉錄。再如，Ptácek和Fu實驗室從2001到2005的研究表明hPer2在S662位點磷酸化很重要，並提出CKIδ是磷酸這一位點的蛋白激酶。但令人驚訝的是，徐瓔在他們實驗室於2007年發表進一步工作表明CKIδ蛋白激酶並不能磷酸化hPer2蛋白質的S662（Xu et al., 2007）。因此，自從2001年發現的對人的生物鐘至關重要的S662位點，居然迄今不知道其蛋白激酶。17年來，不同實驗室努力試過找識別磷酸化S662位點的抗體，以便簡單、快速檢測S662是否磷酸化，迄今無成功的報道。Per蛋白質有多個可以被磷酸化位點，它們確實在體內被磷酸化嗎？它們各有什麼功能意義？

了解參與生物鐘蛋白質，能否構建很好的數學模型，在定性的基礎上邁進定量的時代？

主鍾細胞內的基因恐怕沒有窮盡，而是還有。

主鐘的細胞間如何相互作用？只是神經細胞參與生物鐘，還是有神經膠質細胞參與（Tso et al., 2017）？環路如何構建？

中樞主鍾如何調節外周鍾？無論在果蠅還是哺乳類，都不能說十分清楚。果蠅這方面的一個研究論文被撤稿。而高橋實驗室提出小鼠的主鍾通過調節體溫而協調外周鍾，也不一定是普遍為人們所接受。

生物鐘與代謝、代謝疾病的關係及其機理（Turek et al., 2005；Lamia et al., 2008; Marcheva et al., 2010；Robles, Humphrey and Mann，2017）

本文討論的生物鐘，主要是近24小時的晝夜節律。還有非24小時的其他節律，它們的機理是什麼？

基礎研究之外，生物鐘的研究應該可以產出人類應用的成果，但生物鐘研究迄今沒拿出調節時差的藥物。現代社會對於調節時差有較大需求。各種值班導致英美近六分之一的上班族需要調時差，而且人類跨時區旅行量每年數以億計，老年人睡眠問題相當部分是生物鐘異常所致，所以調節時差對於工作效率和生活質量都很重要。大藥廠保守僵化，拘泥於已有領域（癌症、神經精神、抗感染…），對於時差不重視可能是原因之一。

理論上與生物鐘相關的問題中最重要的，是迄今理解不多的睡眠。理解生物鐘可以解釋睡眠的相位（何時睡），但不能解釋睡眠本身。睡眠的機理目前理解很少。教科書中睡眠的內容相當大部分是腦電圖的描繪，是現象的描述不是機理的理解。睡眠研究任重道遠。Orexin及其受體的研究曾認為是突破，但帶來的進展有限。而2016年柳沢正史（Masashi Yanagisawa）及其合作者發現的Sik3基因，是否是睡眠分子機理的關鍵突破，值得拭目以待。（完）

作者註：本文起源於授課，文字始於2014年10月6日，繼續於2015和2016年10月，第一稿完成於2017年10月1日，10月2日部分修改。

注1：果蠅的四次諾貝爾獎為1933年美國的摩爾根（豐富染色體遺傳學說和規律），1947年摩爾根的學生穆勒（發現X線誘導基因突變），1995年美國的路易斯、德國的鈕斯蘭-沃哈特、美國的維西豪斯（發育的基因），2011年法國的霍夫曼（先天免疫的基因）。

注2：希望依靠論文引用數來衡量工作的效果不高。生物鐘領域最高引用的文章不過一千三百多次，而同領域其他較好的文章一般引用幾百次。這樣的數字比一些熱門領域少很多。其實是說明少數人推動了重要的研究領域，而人數眾引用多的領域是因跟風者眾、並非做關鍵重要研究的人多。

注3：年度的節律為cirannual，晝夜（接近24小時）為circadian，短於24小時的為ultradian，長於24小時的為infradian。

注4：John Watson的研究有爭議，從一例先天智力障礙的患者得出結論能否推廣，另外再倫理問題用小孩做干涉性實驗如何消除對小孩的不良影響。

注5：本文省略了對Konopka和Benzer用attached X的部分。摩爾根的妻子Lilian Morgan本來是獨立的科學家，結婚後暫停工作十幾年，生兒育女後重返實驗室，只能在Morgan實驗室，她五十多歲發現的attached X果蠅，對於果蠅研究很有用處。Konopka和Benzer用了attached X，省了一代的交配，加快了篩選速度。

注6：雖然只有動物有視覺，但動物和植物（以及有些細菌）都有感光系統，而動物和植物分別用一些分子感光，但只有Cry蛋白質是動植物都用於感光的分子。這本來也是研究Cry是否參與晝夜節律的一個原因，但奇怪的是，後來的實驗表明參與晝夜節律的Cry並不能感光，現在Cry的作用機理不明。

致謝：感謝李曉明、張二荃、徐瓔、俞強、劉欣、羅冬根、梁希同的修改或反饋。

之前曾經有朋友在知乎上問過這樣一個問題「人類為什麼沒有進化出直觀感受時間（接受時間信息）的器官？」其實今年的諾貝爾獎可以看成是對這個問題的最好的回答。生物鐘其實就是一個最好的「計時器」，這種計時器可以在一定的時間內保持穩定，又可以受到外界的刺激因而發生調節（這種調節包括周期和相位的調節）。

在麥繼強教授《探索決定生命節奏的機制》的文章中，對這種機制有一個簡單但並不通俗的解釋，文中說：

用數學語言來說，原來 PER 和 TIM 的濃度各自遵循的獨立的一階線性微分方程，各自有常數解：二者耦合之後則成為高階非線性方程，那就有周期解了。

很通俗（但是不恰當）地解釋一下這個過程：

要理解生物晝夜節律的形成，其實就是要理解生物體內是怎樣產生振蕩的。
以我們熟悉的調控過程為例，比如我們是「三和大神」，我們過著「日結一天闊以玩三天」的生活（什麼是三和大神？），我們所有的收入都馬上刺激我們的消費。日結的工資直接刺激消費，可以理解為我們存款自動的「負反饋」。這樣的話我們的存款始終維持等於 0，它其實不能產生出振蕩。 PER 蛋白抑制編碼自己的基因 per 的表達就可以看成是這樣的一個負反饋過程，如果只是自己調控自己，那麼也無法產生這種振蕩。
如果我們希望有一個每月的周期振蕩，那麼我們要做的就是不像三和大神那樣做日結，也就是我們不能一有錢就花掉，怎樣才可以不這樣呢？假如我們每天的勞動收入不能直接刺激我們的消費，而是要與另外某種東西結合起來，等達到一定的濃度時才可以刺激我們的消費，到月底到累積到「發工資」的程度，我們消費的慾望才能真正被刺激起來，這就產生了振蕩。對應到生物鐘的例子，PER 與 TIM 需要一定的濃度才能結合形成二聚體，形成二聚體才能進入細胞核，才能調控基因的表達，這種滯後的效果就導致了周期的產生。

更具體地來解釋一下這三位科學家發現的這種調控機制。

最早在果蠅體內被發現的一種與生物鐘有關的蛋白就是周期（perioid）蛋白，簡稱 PER，與這一蛋白有關的基因被記作 per。我們都聽說過「中心法則」，基因經過表達而最終合成蛋白質。早在上世紀七十年代初，科學家們就發現 per 基因的變異會改變果蠅活動的周期，因而確定 per 基因的確與生物節律有關。PER 蛋白的含量呈現出 24 小時的節律，那麼相應的， per 基因的活動水平也呈現出周期性。1984 年，這次獲得諾貝爾獎的三位科學家克隆了 per 基因，需要指出的是，傑弗理·霍爾（Jeffrey C. Hall）和邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）他們當時在布蘭迪斯大學，是同一個團隊，而邁克爾·楊（Michael W. Young）在洛克菲勒大學，獨立做了有關的實驗。

PER 蛋白的這種周期性是怎麼形成的呢？科學家們首先發現，PER 蛋白的表達會抑制 per 基因的表達，這個過程涉及到「表達的抑制」，所以暗示我們這裡涉及到蛋白質進入細胞核的過程（有趣的是，PER 蛋白自己沒有辦法進入細胞核）；另一方面，這個過程是一個負反饋過程，而簡單負反饋是沒有辦法持續形成振蕩的，要理解生物鐘的機制，則要等到另一個基因的發現才最終得以解釋。

另一種與生物鐘有關的基因就是恆定（timeless）基因，簡稱 tim，其表達產物為 TIM 蛋白，TIM 蛋白在受到光照的情況下，其水平會降低，因而與自然節律產生了關聯。找尋 tim 基因的過程是一個困難的過程，楊在洛克菲勒的實驗組通過研究節律異常的果蠅找到了 tim 基因的突變型。正是在尋找的過程中，科學家們發現，在 PER 和 TIM 兩種蛋白質的濃度比較高的時候，這兩種蛋白質可以（在細胞質內）形成二聚體，PER 蛋白只有跟 TIM 形成二聚體才能進入細胞核。這就是 PER 和 TIM 二者動力學的耦合之處。

因此，生物鐘的整個周期是這樣的，隨著白晝的到來，per 與 tim 兩種基因不斷表達，雖然表達增加，但起初不足以穩定 PER 的濃度，而到了中午時，隨著 PER 和 TIM 的累積，這兩種蛋白形成二聚體，在下午時，這些二聚體開始進入細胞核，開始抑制 per 和 tim 基因的表達。到了傍晚，per 和 tim 基因的表達開始被抑制，細胞質內的 PER 和 TIM 的濃度開始漸漸降低，夜越來越深了，PER 和 TIM 的濃度持續降低，由於 PER 和 TIM 沒有辦法形成二聚體，沒有辦法形成二聚體就沒有辦法繼續抑制 per 與 tim 兩種基因的表達，於是我們又回到了這個周期的最開始部分。

參考材料

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017 The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine
麥繼強《探索決定生命節奏的機制》http://www.cuhk.edu.hk/ics/21c/media/articles/c033-199503067.pdf
Calo 《邵逸夫獎頒發：向果蠅致敬》邵逸夫獎頒發：向果蠅致敬！ | 科學人 | 果殼網科技有意思

來自知乎文章 https://zhuanlan.zhihu.com/p/29849344?group_id=898419773526904832

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017

2017年諾貝爾生理與醫學獎授予了傑弗里·康納·霍爾（Jeffrey Connor Hall），邁克爾·莫里斯·羅斯巴什（Michael Morris Rosbash），和邁克爾·沃倫·揚（Michael Warren Young)， 以表彰他們發現生物體控制晝夜節律的分子機制方面做出的卓越貢獻。

"for their discoveries of molecular mechanisms controlling the circadian rhythm".

事實上，這三個人關於晝夜節律（生物鐘）研究的科學成就早在2013年就曾經得到了廣泛的認可，三人共同獲得了2013年另一個國際重要科學大獎，有著「東方諾貝爾獎」之稱的邵逸夫獎生命科學與醫學獎。所以他們獲得2017年的諾貝爾獎並不意外。

什麼是晝夜節律（生物鐘）呢？

地球自轉一周是24小時，生活在地球上某一地域的動植物接收到的光照變化有固定的周期，因此地球上的幾乎所有生命，為了適應晝夜變化都發展出了自己的一套調節自身生理和行為活動的模式。比如，牽牛花四點開花，向日葵在日落之後會低頭，曇花一現往往出現在晚上八九點左右；雄雞黎明報曉，貓頭鷹晝伏夜出，招潮蟹在潮水到來之前出現在洞口，瓜地馬拉的一種鳥每隔30分鐘就會叫一陣子，人的體溫從白天到夜晚呈現周期性的變化，小鼠的肺部抗氧化通路也會受生物鐘調控有節律的開啟或者關閉。

視交叉上核 (SCN, suprachiasmatic nucleus) 是哺乳動物（包括人）最重要的「生物鐘」，它調節動物與晝夜節律相關的行為活動。科學家發現，通過組織損毀技術搗毀視交叉上核之後，動物的生理和行為晝夜節律就會消失，證明了視交叉上核的必要性；恢復它或者移植別的動物的視交叉上核，該動物的生物節律又可以恢復，證明了視交叉上核對生物節律控制的充分性。老年人通常有或多或少的睡眠障礙，激素和行為的晝夜節律紊亂等等表現，這多被認為是視交叉上核的活動改變引起的。

而且人的智力活動也受到生物節律和睡眠需求的雙重影響。大多數人在勞累了一天之後，會感覺疲乏，注意力和記憶能力下降，工作效率下降，因為此時逐漸上升的內在睡眠壓力逐漸壓倒了保持大腦清醒的神經信號，從而使大腦難以保持最佳的工作狀態。但是，為什麼有些人在早上的智力表現最佳（稱為晨型人或者百靈鳥），另一些人則在傍晚表現最佳（稱為夜型人或者夜貓子）呢？

科學研究表明，與夜型人相比，晨型人在清醒的時候睡意到來的更早，在睡著的時候睡意也消退的更快。比利時和瑞士的研究者用功能核磁共振的方法研究了晨型人和夜型人的的大腦之後發現，睡意很可能是因為藍斑核（Locus Coeruleus）和視交叉上核（suprachiasmatic area) 的活動減弱引起的。在清醒10個小時之後，與夜型人相比，晨型人的與注意力有關係的腦部區域的活動性下降的更早，從而導致動作反應時間的增加。與晨型人相比，夜型人的這兩個腦區維持活躍的時間更長（或者說疲勞感的到來相對延後），夜型人在傍晚時刻這兩個區域的活動依然較高，因此能維持較高的注意力。

好了，通過以上解釋，想必大家對於晝夜節律（生物鐘）已經有了一定認識了。

果蠅開啟的諾獎級晝夜節律研究

那麼今年的諾貝爾獎為什麼要授予用果蠅來進行的晝夜節律研究呢？一隻小小的果蠅如何促進了人類對於晝夜節律的理解？它有哪些重要意義呢？

在上世紀沃森和克里克剛剛發現DNA的雙螺旋結構的時代，人類對於基因和行為之間關係的認識還非常模糊。人類個體的差異是否取決於遺傳因素？是否是由基因的不同引起的？行為是否由單個基因調控？相信現在的人大多數對此已經有了一定認識，但是那個時候的科學家還是一片茫然，觀點對立時常發生。

現代神經生物學的奠基人之一西莫爾·本則爾(Seymour Benzer)創造性地將果蠅引入了行為學的研究，通過誘導突變和遺傳選擇，首次發現了單個基因的缺失就可以引起許多行為的重大改變，比如晝夜節律，求偶，學習和記憶等等。對，就是在他的實驗室第一次發現了調節晝夜節律的單個基因周期基因period (per), 本屆諾獎得主之一的傑弗里·康納·霍爾（Jeffrey Connor Hall）曾在他的實驗室做過博士後。而這些研究成果大多都可以推廣到高等動物包括人類自身。這些研究從根本上革新了行為遺傳學領域，對認識人類的行為和大腦疾病起到了難以估量的促進作用，也讓那些當初懷疑果蠅的研究不會對人類行為的理解有任何幫助的人徹底改觀。

2013年的邵逸夫獎和2017年的諾貝爾獎之所以授予傑弗里·康納·霍爾（Jeffrey Connor Hall），邁克爾·莫里斯·羅斯巴什（Michael Morris Rosbash），和邁克爾·沃倫·揚（Michael Warren Young)，就是因為他們在過去的三十多年裡，沿著西莫爾·本則爾(Seymour Benzer)開闢的道路，對調控晝夜節律的基因進行了深入的研究，揭示了這些基因運作的分子機制。而這些基因和機制的發現之所以重要到了要被諾貝爾獎認可一下的高度，是因為這些機制不僅適用於果蠅，也廣泛適用於地球的各種生物，低級生物，高級生物，還有人類。

關於這次諾獎研究的核心基因，周期基因（period)研究的時間線：

1971年，西莫爾·本則爾(Seymour Benzer)和他的學生Ronald Konopka在1971年第一次發現引起果蠅晝夜節律異常的基因period(per)。

1984年，本屆諾獎得主傑弗里·康納·霍爾（Jeffrey Connor Hall）和邁克爾·莫里斯·羅斯巴什（Michael Morris Rosbash）合作分離出了period 基因；與他們處於激烈競爭的另一個研究組，本屆諾獎另一位得主邁克爾·沃倫·揚（Michael Warren Young)帶領的研究小組也在同一年分離出了period 基因。

得到period基因之後，霍爾和羅斯巴什又發現了period基因編碼的蛋白質PER會在晚上積累（增多），而在白天降解（減少），意味著蛋白質PER的表達水平和晝夜節律存在某種相關性。因此他們提出假設，蛋白質PER會抑制period基因的表達（自體負反饋⊙o⊙）。模型如下圖所示。

然而，這個簡單而誘人的模型卻不得不回答一個關鍵問題，因為period基因啟動的位置在細胞核里，蛋白質PER是在細胞質里表達的，那麼蛋白質PER是如何進入細胞核抑制period基因啟動的？

這時候，邁克爾·沃倫·揚（Michael Warren Young）出來救場了。1994年，Young 發現了第二個調控晝夜節律的基因timeless (tim)。timeless基因編碼的蛋白質TIM對於維持正常的生物節律是必要的。然後經過一系列精巧和複雜的工作，Young 證明了蛋白質PER會和TIM結合，然後一起進入細胞核抑制period基因的活動（如下圖所示）。從而回答了上面的自體負反饋是如何形成的這個問題。

此外，Young還發現了另外一個基因doubletime, 它編碼的蛋白質DBT能夠延緩蛋白質PER在細胞中的積累，從而也就可以調控PER積累的周期，使其與24小時儘可能地接近。

綜上，

霍爾，羅斯巴什和Young三個人不僅分離克隆出了第一個生物節律基因period, 和另外兩個重要的生物節律基因timeless和doubletime, 而且通過實驗解釋了他們編碼的蛋白質調控晝夜節律的分子機制。這些機制不僅適用於果蠅，而且廣泛適用於各種低級高級生物，包括人類。

因此，2017年諾貝爾獎生理醫學獎授予了這三個人。

該項諾獎研究的引領作用

1997年，在哺乳動物老鼠和人身上也發現了周期基因period，而per基因就表達在視交叉上核SCN，其表達隨晝夜節律變化而變化，顯示了哺乳動物和果蠅調節晝夜節律高度的同源性。有趣的是，1997年美國的一位日裔科學家高橋找到了控制老鼠晝夜節律的新基因clock, 1998年霍爾和羅斯巴什隨後也在果蠅體內找到了老鼠clock基因的同源基因Jrk基因。可見關於晝夜節律的研究，老鼠和果蠅相互啟發，相互驗證，共同加深了人們對生物鐘機制的理解。

事實上，由於以上研究的發軔，帶動了一大批關於晝夜節律的研究，迄今為止已經發現了一系列關於生物鐘調控的重要分子。下圖揭示了這些分子在轉錄和翻譯水平的調控機制。

儘管從分子層面上來講人們對於生物鐘調節的機制已經有了一定認識，但是因為哺乳動物的視交叉上核SCN 有成千上萬個細胞，從細胞層面和神經環路層面來揭示晝夜節律依然充滿謎團，有待深入研究（如下圖所示）。

人類體內內在的生物鐘不僅調節著我們的荷爾蒙水平，睡眠，體溫，和新陳代謝，而且深刻影響著我們的行為。比如本文開始提到的晨型人和夜型人的例子，坐飛機需要倒時差"jet lag"，上班族加班引起的代謝紊亂，老年人失眠無法入睡，等等等等。2016年science上的最新研究報道，在果蠅體內發現了調控睡眠的分子開關，兩個分別叫做sandman 和shaker的蛋白質。這引起了對治療人類失眠的熱切希望，因為針對這兩個蛋白有望開發出新型的安眠藥。理解和解決晝夜節律引起的問題有著切切實實的需求，由果蠅所引出的對晝夜節律的研究雖然極大的加深了我們的認識，但是對於它的徹底理解以及取得應用性成果依然任重而道遠。

一、什麼是晝夜節律/生物鐘

在高等的光敏感生物中，生物鐘是一套由感光神經元，內分泌系統，以及基因時序振蕩表達調控共同形成的功能體系，使得生物從微觀水平的基因表達、細胞代謝，到宏觀的生物行為，形成晝夜更替的節律。

二、晝夜節律的生物學機制

生物鐘中的晝夜節律（下文簡稱為「生物鐘」。注意，生物鐘是個很大的概念，晝夜節律是生物鐘的一種表現。）是怎樣形成的呢？其實，它和我們所熟知時鐘一樣，包括了兩大要素：1、時鐘的校正；2、時鐘的周期。

當我們買了一個新手錶，在正式使用之前，需要對其進行校正，使其符合某個標準。生物鐘也有這樣的一個校正機制。其中，大腦中的視交叉上核（suprachiasmatic nucleus）是中樞時鐘（master clock），負責將感受到的外界光信號整合後，向身體外周的時鐘（peripheral clocks）傳遞信息。這個中樞時鐘每天都會校對一次，校對的依據便是光。而由於校正每個晝夜都會進行一次，因此這個時鐘的周期便是24小時。

除了視神經外，身體的其他細胞並沒有感光能力，雖然它們一直在活動，但由於「看不見」，黑燈瞎火地工作，總會有亂套的時候。而中樞時鐘就扮演著一個總指揮官的角色，它能夠接收視神經（也就是那個「看得見」的領導）傳來的信號，然後將信號從中央傳達到地方，告知底下的小兵天亮了，統一校對手錶調整時間，該幹嘛幹嘛。而內分泌系統，就通過分泌激素，扮演著傳遞中央下達的信號的角色。而不同的激素，具有傳遞不同信號的功能。

總結一下，就如上圖所示，視交叉上核神經元接受了清晨第一縷陽光的刺激，調好自己的手錶之後，下達命令，大喝一聲：睡你麻痹起來嗨！於是外周的細胞接受了命令，也調好自己的手錶，然後開始干白天該乾的活。

在分子水平，又是怎樣構築起生物鐘的體系呢？這個問題的答案，便是由包括這三位諾獎獲得者在內的一眾科學家揭曉的。

當細胞接收到白天的信號時，就會相應地啟動一套有序的基因表達程序。這裡有兩個要點：1、在白天信號指導下，某些基因（我們叫白天基因好了）的表達會更加有優勢，而黑夜基因的功能會受到抑制；2、白天、黑夜基因交替出現優勢的步調，並不總是完美的，畢竟生物機體不是機械齒輪，轉著轉著，細胞之間的步調就會不一致，這時候中樞時鐘的命令就起到了讓大家保持步調一致的作用。

舉個栗子，PER和CRY基因是白天基因。在昆蟲中，CRY（Cryptochrome，隱色素）能夠感受藍光。它和PER（Period）基因一樣，在黑夜結束、白天剛開始的時候表達量很低，然後逐漸升高，並在快入夜的時候達到表達高峰。而PER和CRY基因又是誰來上調錶達的呢？是由CLOCK和BMAL1蛋白，它們結合到PER和CRY基因啟動子的E-box區域，促進其表達。

但是好戲來了，雖然CLOCK和BMAL1蛋白能夠促進PER和CRY的表達，但是，PER和CRY的表達卻會反過來抑制CLOCK和BMAL1蛋白的功能。

當剛剛入夜的時候，表達量達到峰值時，PER和CRY就會形成二聚體，進入細胞核中，抑制CLOCK和BMAL1，從而抑制PER和CRY的表達。同時，PER和CRY是不穩定的，會被緩慢降解掉。於是乎，轉錄減少了，然後自身也被降解了，因此就會隨著夜色加深，PER的量逐漸下降，並在黑夜結束、白天剛開始時，回到了整個周期的起點。而由於PER和CRY含量的下降，就解除了對CLOCK和BMAL1的抑制，從而重新轉錄出新的PER和CRY。如此一來，就形成了一個周期振蕩的負反饋系統。

用句簡單的話來講，就是A叫B起來幹活，而B雖然起來了，卻反過來捅了A一刀，叫他閉嘴。可是，B本身也是個慫貨，一段時間後就萎了，對A的抑制也就解除了。然後第二天，這樣的好戲又再上演一輪。這就是生物鐘的分子機制。

除了上面提到的PER，CRY，CLOCK和BMAL1之外，生物鐘的重要調控分子還有TIM（Timeless）和DBT（Doubletime）等。

在果蠅中，TIM也是由CLOCK和CYCLE（對應哺乳動物中的BMAL1）調控表達的。當TIM被轉錄和翻譯成蛋白質之後，就會和PER形成一個複合體，防止PER被降解掉。同時，這個複合體還能進入細胞核，抑制CLOCK和CYCLE的功能。而TIM是一個可以被光信號所降解的蛋白，由CRY這個感光蛋白來實現。因此，光線可以解除TIM對PER的保護，從而PER會在TIM降解之後，也緩慢地跟著降解。

而DBT（在哺乳動物中叫CKI）就是那個靶向PER讓它降解的因子。當TIM和PER結合在一起的時候，DBT就沒辦法降解PER了。而當TIM被光刺激的信號所降解，PER就從複合物中暴露出來，被DBT磷酸化，從而被降解。在哺乳動物中，DBT還能夠促進PER的核轉移，從而使得PER能夠去抑制細胞核裡面的CLOCK和BMAL1。

（值得注意的是，昆蟲和哺乳動物的生物鐘調控機制有些許不同，但在這裡就不鋪開講了。）

三、三位獲獎者在晝夜節律研究的貢獻

2017年諾貝爾生理或醫學獎授予了上面三位老帥哥：Jeffery C. Hall，Michael Rosbash，Michael W. Young教授，以表彰他們在晝夜節律分子機制中的傑出貢獻。

Jeffery Hall教授是最早一批研究白天基因PER的人。他首先是拿雄果蠅的求愛歌節律（courtship song，雄果蠅在求偶時會拍動翅膀，形成有規律的求愛歌），並發現PER基因的突變能夠影響求愛歌的節律。

隨後，他和Michael Rosbash教授合作，發現了PER蛋白能夠負反饋抑制其本身轉錄的現象，從而奠定了生物節律的分子基礎。隨後，他們兩人又一起共同發現了細胞時鐘之間互相同步化的機制。

Jeffery Hall教授在他晚期的工作之中，進一步補充和完善了他所提出的生物鐘負反饋調節通路理論，這其中就包括了第二部分所提到的TIM、CRY、CLOCK和BMAL1（在果蠅中是CYCLE）在生物節律中的作用。

讀到這裡，千萬別以為Michael Rosbash教授只是在抱Jeffrey Hall的大腿。相反，他是第一個克隆出PER基因，並鑒定了果蠅中的CRY、CLOCK和CYCLE（對應哺乳動物中的BMAL1）基因的人。也就是說，沒有Michael Rosbash的工作，就沒有Jeffrey Hall研究的基石，更不用說，他也是生物節律負反饋調控機制的共同提出者。

Michael Young教授同樣也是最早一批研究PER基因功能的人。說起來，他應該也算是Michael Rosbash教授的競爭對手，在學術期刊上也撕過x（見下圖，Y教授說你們R lab的某個實驗數據啊，不可重複，一點都不可賽艇，所以R教授只能撤稿惹）。他們兩人競先克隆PER基因，並研究其功能。Young教授同樣發現，將PER基因導入到這個基因功能缺陷的果蠅之中，能夠恢復其生物節律。

隨後，Michael Young團隊率先鑒定了生物鐘重要的調控因子TIM，並將其序列闡明。他和合作夥伴一起發現，陽光能夠導致TIM快速降解，並重設生物鐘。隨後，他還發現了能夠降解PER蛋白的DBT，從而將生物鐘負反饋調節中缺失的拼圖給補充完整。

四、晝夜節律的進化

這個部分，我們不妨來思考，為什麼生物會進化出晝夜節律呢？事實上，這個問題還是比較難以回答的。凡是涉及進化論的東西，都很難設計實驗去重現千百萬年的生物學過程，因此我們這裡僅能從理（腦）論（洞）上進行一些推導。

植物進化出晝夜節律，這一點不難理解，因為光和光合作用的關係。但是動物，或者更微觀一些的簡單真核生物，又怎麼說呢？

其中一個可能的因素是，光線與生存、繁衍息息相關。一些古老的，低等的，缺乏感光結構的生物，如果要從外周獲取營養物質，只能是靠瞎摸，或者趨化作用，又或者是感受震動等。等到感光細胞的出現，甚至進化出視覺，光線可以幫助生物迅速發現獵物，躲避捕食者，同時也能找到啪啪啪的對象。而一旦到了晚上，光線變弱，有些生物就開始方了：去哪裡找吃的？會不會被吃掉？啪啪啪會不會插錯洞？手電筒在哪裡？（大霧——）因此，在長期的選擇之下，晝夜節律便出來了。而進化上又是充滿著隨機的，於是，另外一波生物則進化成了夜貓子，發展出夜視及其他在夜晚探測周圍環境的能力。

但是問題又來了：假設所有的生物都沒有進化出晝夜更替節律，那麼對於任何一個生物來說，它的食物、捕食者和交配對象，也都不會有晝夜節律，那自然也不會有進化上的選擇壓力，來迫使晝夜節律基因的出現。

這個時候，我們就必須再引入一個可能參與調控生物鐘的環境因素：溫度。入夜，溫度降低，然而絕大多數生物都沒有維持體溫的能力。因此在夜裡，溫度下降，代謝就會降低。而當太陽重新普照大地之時，溫度提高，生物的代謝活性也跟著上升。因此，跟太陽光緊緊聯繫在一起的溫度，也是促進生物鐘進化的動力。

2010年一篇Science文章就報道了，外周時鐘，而非中樞時鐘，是溫度敏感的，因此溫度也是重設和同步時鐘的重要環境因素。有關於溫度如何在分子層面影響生物鐘，有不少實驗室在搶著做，因為這是和太陽光同等重要的生物鐘調控與進化因素。這不，上面那篇兩位Michael教授互相撕x導致被撤稿的那篇文章，就是在研究溫度與生物鐘分子的關係。

寫到這裡，不得不提一句，在原核生物中，也發現了具有晝夜節律的物種，那就是藍細菌（Cyanobacteria）——一類最古老的（30-35億年前便存在）具有光合作用能力的細菌，是推動地球從無氧變成有氧環境的大功臣，也被認為是植物葉綠體的祖先。目前已經鑒定出藍細菌中的三個核心晝夜節律基因：kaiA，kaiB和kaiC。而至於這三個基因和真核生物的節律基因是否有進化上的親緣關係，會不會是推動植物晝夜節律進化的動力之一，就超出我的射程範圍了。

五、生物鐘與人類疾病

生物鐘的正常運作，和人體健康息息相關。生物鐘的紊亂，會導致疾病。

為了理解生物鐘和疾病的關係，我們必須先來關注一下生物鐘參與了哪些正常的生理功能。前面講了，在白天時，中樞時鐘會告訴外周的時鐘起來嗨(????)??，但到底起來嗨些什麼呢？其中最重要的是細胞的生化代謝。

晝夜交替，跟進食、運動、睡眠是緊密聯繫的。因此，在物質和能量的輸入和輸出方面，晝與夜本身就存在著區別。但是生物鐘影響代謝，卻遠不局限於控制外部的物質能量輸入，它還能直接調控了生化代謝相關基因的表達。

通過轉錄組學的研究發現，在哺乳動物細胞中，約有10%的基因會呈現晝夜振蕩表達的模式，而這其中就包括了糖代謝、脂代謝、氨基酸代謝等重要基因。值得點出的是，雖然這10%的基因之中，只有很少的部分是生物鐘核心通路的直接靶點，但是，生物鐘信號通路能夠調控一些與代謝相關的轉錄因子，從而間接地促進代謝基因也呈現晝夜振蕩表達的模式。

因此我們不難理解，晝夜的節律被打亂，生物的正常代謝就會出現問題，引致疾病。

其中最著名的例子當屬II型糖尿病與肥胖。比如有研究發現，那些睡得比較少的小朋友，長大後變成胖子的風險就會增大。另有研究發現，剝奪成年人的睡眠，會導致受試者對胰島素的敏感性降低。

其次，生物鐘紊亂也與心血管疾病有緊密聯繫。有研究發現，長期值夜班，會導致45-55歲的男性的心血管疾病風險提升1.6倍，而女性人群則是3倍。

近十來年也有一些研究在關注生物鐘與腫瘤的關係。有許多獨立的研究表明，長期值夜班的人群，其乳腺癌、前列腺、結腸癌的發病風險會有不同程度的提升。近期有一項研究表明，長期值夜班會導致DNA修復能力降低，進一步提供了生物學機制。有趣的是，如下圖所示，在原癌基因MYC驅動的腫瘤中，MYC會強行霸佔生物鐘核心通路的CLOCK/BMAL1的作用區域E-box，從而破壞了細胞自身的代謝節律。

一句話總結：不要熬夜。

修仙什麼的，會死的喲~

上一年（2016年）諾貝爾生理學或醫學獎頒給的是日本科學家大隅良典（Yoshinori Ohsumi），原因是發現了「細胞自噬機制」——一種細胞生物學中降解和再生細胞組分的基本細胞過程。

而今年頒給的是三位美國科學家——Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young，獲獎理由是發現了「控制晝夜節律的分子機制」（discoveries of molecular mechanisms controlling the circadian rhythm）。

感覺跟我之前看的好幾個預測都沒有提到過這個。但是晝夜節律確實也是生物體內一個重要的生理現象。

簡單地解釋一下吧。地球上所有的生物，包括動物、植物、微生物，由於受到地球自轉、晝夜更替產生的周期近約24小時的周期性調節和生理活動，稱為晝夜節律。這個周期性調節是內源性的、寫在基因組裡的。

正如諾獎新聞通稿裡面介紹到的，早在18世紀的時候，法國天文學家Jean Jacques d"Ortous de Mairan就已經觀察到含羞草的葉子是可以隨晝夜更替而有周期的開合的，而且這個周期性開合併不隨有陽光與否而出現變化。

▲晝夜節律的發現（The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine）

20世紀的時候，科學家們開始利用黑腹果蠅（Drosophila melanogaster，D. melanogaster）來進行晝夜節律的分子機制和遺傳學研究。

擴展閱讀：【趣味模式生物】開啟諾獎之門的小昆蟲——黑腹果蠅

70年代，美國科學家Seymour Benzer和他的學生Ronald Konopka發現了一個晝夜節律紊亂的果蠅突變體，經過研究，他們發現突變的基因定位在X染色體上，並把這個基因命名為「period」（per）——也是第一個時鐘基因。但是per又是怎麼影響晝夜節律的呢？

1990年的時候，Jeffrey C. Hall和Michael Rosbash（以及Paul Hardin）在《Nature》上發表文章，證實PER可以通過調節其轉錄來發揮作用。簡單來說per基因轉錄出per的mRNA，再翻譯出PER蛋白，使得夜間PER蛋白積累。而過多的PER蛋白可以入核反過來抑制這一過程，使得白天的時候PER蛋白水平降低，實現晝夜反覆。

▲PER蛋白進行自我調節，實現晝夜周期（The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine）

然而PER蛋白又是怎麼進入細胞核的呢？

早在1984年，Michael W. Young使用正向遺傳學的方法，從果蠅中篩出來一個與節律相關的突變基因，這個基因位於2號染色體上，Young將其命名為「timeless」（tim）——第二個被發現的時鐘基因。1994年的時候Young在《Sciences》上發表文章，發現TIM蛋白可以和PER蛋白共同作用，並協助PER入核，實現PER的自身調控。研究也證明，在沒有TIM蛋白表達的果蠅中，PER蛋白會發生持續性積累，並且無法入核。

▲PER蛋白可以與TIM蛋白結合，並進入核內（The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine）

Young的貢獻還在於發現了另一個基因——doubletime（dbt），這個基因可以編碼一種激酶，並通過這個激酶使得PER蛋白上的特定絲氨酸殘基磷酸化，後果就是使得細胞認為這個蛋白要被降解了。然而當PER與TIM結合之後，DBT激酶便無法磷酸化PER了。這一機制的發現，完善了per/tim環路調控。

諾獎委員會認為，這三位科學家建立起了最基本的生物鐘研究的框架，也為日後更多的時鐘基因和調控的發現提供了基礎。

PS. 當然，如果說per/tim環路調節的是周期，那另一個環路clock（clk）環則調控著節律的振幅。這兩個反饋環路相互依賴，相互影響，共同調控著果蠅的晝夜節律，破壞了任何一條，果蠅的生理周期都將難以維持。

晝夜節律與人類活動相關，包括睡眠模式、影視活動、激素釋放、血壓、體溫等等，正常晝夜節律的破壞也與多種疾病的發生密切相關。

▲人類晝夜節律的特徵（Wikipedia）

原文首發在知乎專欄 Mr-HH的生物學科普：淺談2017年諾貝爾生理學或醫學獎——控制晝夜節律的分子機制｜細胞學·說

本來難得的一個十一、中秋假期是要出去放放假的，可惜臨時有事……既然在實驗室了，那還是稍微解讀一下今年的諾獎吧……時間有限，臨時編輯，只能「淺談」了……

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去年這個時候還在知乎上討論晝夜節律，今年就拿獎了，知友們，你們現在有哪些好成果想討論？

https://www.zhihu.com/question/50626924/answer/122345638

每個人身體內都有一塊表，所以要學會說「表」（buyao），表煩我，表吵！

經常有人說，熬夜木事的，現在get 了吧，對抗進化，人多渺小！

晝夜節律及相關同路告訴我們，這是一種涉及到了專門基因的調節過程，而且能夠適應地球自轉，應該是極其古老的進化內容。

出門在外，手機上簡單答一下吧。節律對日常生活的影響，不只是熬夜對健康不好這麼簡單。

首先，有動物實驗表明，長期頻繁改變晝夜規律，或者說頻繁倒時差，有可能增加患腫瘤的風險。早睡早起，晚睡晚起，都不如忽早忽晚來的可怕。

其次，打破正常節律，不按時吃飯而是從早吃到晚，還來頓夜宵，即使總熱量不超標，仍然會因為破壞進食節律而導致肥胖。相反，將一天的進食時間段壓縮到八到九個小時以內，則會有很好的減肥效果。

然後，熬夜影響的是視神經核SCN的中樞節律，過量飲食影響的是代謝相關的肝腸等外周節律，這樣的節律紊亂都可能導致肥胖。

總而言之，晝夜節律對日常生活的影響，就是一個字

胖！

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補作業來了。專門寫了一篇文章，談

拿諾獎的「晝夜節律」，和肥胖有啥關係？

上面都說了那麼多，我盡量說短點吧。

簡單來說，生物鐘在一天之中的不同時段，對我們的生理功能進行著非常精準的調節，例如攝食行為、激素水平、睡眠情況、體溫，以及新陳代謝等。現在，這一過程的分子機制基本搞清楚了，主要是三個基因和發現他們的三位科學家。

決定生物鐘的三個基因

1，PER蛋白基因：period----自我反饋調節

1984 年，霍爾和羅斯巴什（波士頓的布蘭迪斯大學）和洛克菲洛大學的邁克爾·楊成功地分離出了 period 基因。他們把這個基因編碼的蛋白其名為「PER」。他們發現，在晚上，PER 蛋白會在果蠅體內積累，到了白天又會被分解。並且發現 PER蛋白的濃度會循環震蕩，周期為 24 小時，和晝夜節律相同。他們猜測PER 蛋白可以讓 period 基因失去活性。也就是PER蛋白和 period 基因之間形成了一個抑制反饋的環路，PER蛋白可以抑制基因合成自己，這樣就形成了一個連續循環的完整節律。當period基因有活性的時候，可以合成period mRNA，然後進入細胞質後開始合成PER蛋白。PER蛋白又會進入細胞核，逐漸積累，抑制period的活性。period基因經過了一個完整的24小時周期，就形成了一個抑制性的反饋機制，形成了晝夜節律（見下圖）。

period基因反饋條件的簡單示意圖

2， TIM蛋白基因：timeless----輔助PER蛋白工作

1994 年，洛克菲洛大學的邁克爾·楊發現了第二個節律基因：timeless。之前雖然已經發現PER 蛋白的功能，有一個關鍵環節是從細胞質進入細胞核才能抑制 period 基因。但是它是如何進入細胞核的呢？實際上Timeless 可以編碼 TIM蛋白，可以幫助PER進入細胞核。邁克爾·楊做了一個漂亮的實驗，發現 TIM 會結合到 PER 上，然後兩個蛋白可以一起進入細胞核，並且在那裡抑制 period 基因的活性（如下圖）。

參與調節節律鐘的分子的簡單示意圖

3，DBT 蛋白基因：doubletime----精確計時

上面兩個基因解釋了為什麼會出現周期震蕩，但是這種震蕩的頻率周期為什麼是24 小時呢？這時候，洛克菲洛大學的邁克爾·楊又發現了一個基因： doubletime，這個基因可以編碼 DBT 蛋白。DBT 蛋白可以延遲 PER 蛋白的積累，這解釋了為什麼震蕩的周期為什麼會穩定在 24 小時左右。

精準的生物鐘

實際上控制生物節律的分子機制要複雜的多。在隨後的幾年裡，他們三人還發現了其他一些蛋白可以維持period的活性，以及外界的光如何調節生物鐘。所有的多細胞生物，包括人類，都是使用同一個相似的機制來調節生理節奏。生物鐘能調節我們大部分的基因，並且最終這個生物鐘能使我們的生理情況適應一天中不同時段。正是這些分子調控這人們一天的節律。

三位傑出的科學家

傑弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）

1945 年 3 月 3 日生於紐約布魯克林，美國遺傳學家。於 1971 年獲得西雅圖華盛頓大學遺傳學博士學位，於 1974 年成為布蘭迪斯大學教員。霍爾於 2001 年被選入美國文理科學院，2003 年被選入美國國家科學院並獲美國遺傳學會勳章。因為 period 基因方面的傑出貢獻，他於 2009 年獲格魯伯神經科學獎，2011 年獲路易莎·格羅斯·霍維茨獎，2012 年獲蓋爾德納國際獎。並於2013 年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。

邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）

1944 年 3 月 7 日生於密蘇里州堪薩斯，美國遺傳學家。羅斯巴什是布蘭代斯大學教授和霍華德·休斯醫學研究所的研究員。 2003 年當選為美國國家科學院院士。2013 年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。

邁克爾·楊（Michael W Young）

1949 年生於佛羅里達州邁阿密，美國遺傳學家、美國國家科學院院士。1975 年獲得克薩斯大學奧斯汀分校博士學位，1978 年起任洛克菲勒大學教員，後成為該校副校長。2013 年獲得邵逸夫生命科學及醫學獎。楊之後的研究還揭示了更多生物鐘相關基因，以及它們產物的運作情況。

參考資料：

諾貝爾獎官方解讀2017生理醫學獲獎研究：一個自我抑制的分子，如何隱藏了睡覺和清醒的秘密？

http://www.sohu.com/a/195997167_354973

釋新聞|2017年諾貝爾生理學或醫學獎：生物鐘的分子研究

http://news.163.com/17/1002/18/CVOV63RC000187VE.html

知乎文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/29929101

諾貝爾委員會在第一時間採訪了三位科學家。我覺得聽誰說，都不如聽獲獎的當事人來說這件事，更好的通俗的理解這次諾獎了。我當練習聽寫翻譯了出來，時間有限，先奉上Michael W. Young，也就是我的祖師爺的採訪。

[Michael W. Young]: 你好

[Adam Smith]: 早上好，我叫Adam Smith來自Nobelprize.org.，祝賀你獲得諾貝爾（醫學或生理學）獎

MW: 謝謝，感謝。我們這裡現在有好幾個電話在運轉，這不，我妻子又去拿另一個了。

AS: （笑）從那個時刻開始就被電話轟炸。

MW: 確實，這很瘋狂，剛剛我還和人說，不知道我能不能熬過今天（笑），我需要分身術。

（生物學家的幽默，用的是replicate myself，也就是自我複製）

AS: （笑）你要知道如果不是從諾貝爾委員會那裡親耳聽到這個消息我，到現在我都不敢相信自己！

MY:我不知道，該怎麼說呢，我感覺腦子裡在旋轉。你自己知道這一切，也知道可能性，但是從來沒想想到過，這一切真的發生了！（笑）我現在就在這樣一個階段。

AS: 其實在今天很難想像，在三十年前的時候，提倡基因和行為學的相關性是多麼的難以理解。你懂得，在那個時候，這非常超前。

MY: 啊，你說的對。我曾經去斯坦福就是為了學習這個技術，在70年代那是最前沿的。之後我創建了我在Rockefeller的實驗室並開始做相關晝夜節律的工作。非常感謝Seymour

Benzer和他的學生Ron Konopka發現的那些奇妙的變種。（PS.也就是我在自己的答案里寫的1971年的那篇文章，請下拉查看，此文章第一次發現了三種周期不同的變種果蠅，分別起名per0，pers，perl）

然後我就認為這是一個重大的問題，可能會成為嘗試解決的問題里最棘手的，因為他涉及行為學。你知道的，我們所展示的那些異常複雜的行為活動，被晝夜周期給簡單的覆蓋了。坦白講，我認為我們只發現了冰山一角。

我從不認為我們當時真正理解了藏在這背後的原動力是什麼。我們非常幸運，（找對了方向）嘗試去像尋找拼圖碎片一樣尋找基因來解釋這樣一個系統是如何工作的。趁著時代的技術和發展的更新，我們也在持續用不同方法嘗試。我非常幸運能有許多極其優秀的，做對了很多正確事情的學生和博士後們。

然後還有一點非常重要，那就是當時這項研究就像是一場競賽。我的同事Jeff

Hall和Michael Rosbash，和我長久以來互相競爭，推動大家向前走。因為，雖然這相關的工作大多是獨立做出來的，但是時不時我們還是必須相互合作交流。我們在這一項研究里分別針對不同的問題，就像剛剛我說的，如同時是在玩拼圖遊戲一樣，最終（合力）將完整的畫作呈現出來那是多麼令人興奮。（這樣的方式）一直推動著這項研究到頭。這確實令人難以置信。你想像一下這是多麼令人激動！

AS: 你挺起來激動極了。非常高興能採訪到你。

MY: 哦，是的。我就是，我就是不知道該如何度過這樣（美妙的）一天！

AS: 我們會在十一月的斯德哥爾摩見到你嗎？

MY: 那是當然的！你在開玩笑嗎！我會在那個，我會在那裡。

（PS. Michael Young真的是開心壞了，採訪中各種語無倫次，各種開心溢於言表，祝賀他。作為我的boss的師傅的師傅，祖師爺啊。手動滑稽）

果蠅研究者最常上的網站FlyBase Homepage今天更新了新的首頁，向三位科學家表達了祝賀。

既然大家都在說生物層面和細胞層面的生物節律，那我說一個生物節律的最小單位，酶

其實這也是我們實驗室講師Tomita Jun在博士階段的重大成果，當年也是發表在Nature上，至今為止都影響深遠，雖然他已經轉行從做植物轉向果蠅的遺傳行動學，但是關於Kai蛋白的時間節律性，直接證明了時間節律是在分子水平開始發揮作用的。

No transcription-translation feedback in circadian rhythm of KaiC phosphorylation

KaiC就是存在於藍藻中分解ATP的酶，但是就是這樣一種看似平常的酶，和他的同類的在一起竟然可以在試管中重現24小時的時間節律！在試管中，除了以六量體存在的KaiC之外，只要加入KaiA，和KaiB這兩種蛋白質和生物體內最基本的ATP，就可以在看似毫無關係生命的試管重現24小時節律，這個實驗證明了連最基本的生命活動磷酸化，都是受時間節律控制的。並且變現出24小時的周期。

當然發現這樣的結果的2005年之後，名古屋大學的近藤研究室（也就是講師當年的實驗室）又進行了各種各樣的別的研究，當然這些年德高望重的近藤老師要退休，估計過些年用完最後的實驗經費大家也要各奔東西了。當然這都是後話了。

首先先跪拜下饒毅教授，光是預測就已經很難了，還寫了這麼長的文章，看到知識分子更新的時候我都不敢相信自己的眼睛，竟然能有這麼快的速度。

原來饒老師已經預測四年了，該得也是對的。

其實Jeffrey已經傳聞要得諾獎很久很久了，一直傳一直傳，然後就沉寂下去了。沒想到這次作為一個冷門爆出來了。答主段承焉說的有道理，委員會主席既然是遺傳學家，那麼上世界80年代分離出的這麼轟動的節律基因沒有獲諾獎感情上確實有點過不去。上世紀八十年代，很多生物技術還不想現在這麼完善和方便，能如此明確地將基因和表現型相互標記的確實很困難。

廢話不多說，我簡單以產生period蛋白的per基因為主，介紹下它的基本情況。

Per位於果蠅的X染色體上，2685.5-2692.8ｋ鹼基之間的位置。最早的文獻記錄是在1971年Konopka RJ, Benzer S.兩人的Clock mutants of Drosophila melanogaster的文章中被提到，其實與其說被提到，不如說是恰巧發現了三種不同的節律性的變異體，也就是我們後來知道的per0，pers，perl，這三種變異體簡單來說就是天生像是不適應這個星球的節律一樣，per0表現出完全沒有任何節律性。更神奇的是，即使在LD條件，也就是明暗各12小時的條件下，後兩者也表現出，要不以19小時為周期早睡早起的勤勞艱苦，要不以28小時為周期活動睡你XX起來嗨的異常特點。

但是per的第一次亮相也是到此為止，直到1987年，也就是本次獲獎的排名第三的young在genetics里發了一篇名為NONESSENTIAL SEQUENCES, GENES, AND THE POLYTENE CHROMOSOME BANDS OF DROSOPHILA MELANOGASTER的文章，在摘要里有這樣第一段話，yet this sequence does not seem to be a part of either the zeste locus or l(1)zw1, which are known to be located in these bands. Two more complementation groups have been discovered that have no lethal alleles and map to 3B4-3B6; a third falls within 3B1-2。這裡的 3B1-2其實就是本文主角per的最初的表述。這裡第一次，把相關的表現型同基因想綁定，我覺得這才是本次諾獎會頒給這個工作的真正原因。

就如同上面很多答主說的一樣，PER蛋白單獨是無法起作用的，他和TIM必須組成二量體才能進入細胞核發揮作用。但是大家沒有說到的事，影響核內CLK/CYC表達的不只是PER和TIM，還有很多別的通路，這些節律相關的通路，也就是上圖，在進入2000年之前幾乎已經都解明了。作為一個反饋調節的系統，CLK/CYC起激活作用，而PER/TIM起抑制作用。

順便說一個大家都沒有提到的通路，其實不光這兩個，還有一個CLK基因的啟動子上存在的VRI與V/P-box相結合也會抑制clk的轉錄。與之相對的Pdp1ε因為翻譯時機比較晚，反而激活了clk的轉錄。實際上是這三個通路一起構成了反饋調節系統來讓生物感知時間。

稍微遮擋掉重要敏感信息，這是一份來自日本果蠅研究者內部的群郵件，看得出，大家也是相當開心，第一時間奔走相告。能在自己讀書期間，研究領域出炸藥獎，我會珍惜這樣的體驗一輩子。

順便一嘴，我的boss和這三位獲獎者都認識並且在留學美國的時候還差點去了前兩個人的實驗室做訪問學者。當然最後，boss去了第三位獲獎者mike young的弟子Rob的實驗室，後者也是per克隆的實際試驗者。

還順便聽到了不少八卦，比如jeff在實驗室養過一條超級大的狗做寵物，而且相比於果蠅的研究，jeff還是一名美國史學家，所以這些年隱退去做歷史也就不足為怪了。

也就是明天10月三號開始在冷泉港CSH有一場大型的果蠅相關學會，想必盛況空前。

自己的研究領域出了這麼大的事，先馬上，我要好好更下

作為一名文科生表示，目前前排所有高票答案沒有任何一個達到通俗地解釋的標準，也沒有任何一個明確說明了意義和影響，都在長篇累牘地解釋機理而已...............

謝邀，先mark,後回答

這次諾貝爾獎頒給了晝夜節律Circadian Clock。

通俗點說，找到第一個晝夜節律基因Per，工作分為兩部分：

1.1972年，通過果蠅基因組的隨機誘變，加上表型觀察，找到節律失衡的突變株。

2.1984年，不停交配突變株，看這個基因怎麼往後代傳遞，定位在哪個基因的哪個區域，最終確定基因。

這次得獎的邁克爾·楊（Michael W Young）、傑弗理·霍爾（Jeffrey C Hall）、邁克爾·羅斯巴希（Michael Rosbash），主要工作是第二步，鑒定這個基因在哪裡。

當然，之後他們各自的組在晝夜節律方面也做了很多工作。後續也有些其他組，做過重要的工作，比如第一次在小鼠中找到節律基因。

不過開山始祖終究是開山始祖，拿獎沒爭議。

然而開山始祖的始祖，找到Per果蠅突變株的通訊作者，和第一作者都已經不在了。

他們的工作也很重要，甚至更重要（個人看法）。

說到底，拿獎還是要活得久。

所有生物都有自己的作息規律：人類晚上出現倦意、貓頭鷹晝伏夜出、花朵白天開放晚間收攏。我們通常稱這些晝夜節律叫「生物鐘」。雖然這個名詞大家耳熟能詳，但關於其本質及運作模式一直如蒙娜麗莎微笑般讓人捉摸不透

2017年諾貝獎生理學或醫學獎獲得者傑弗理?霍爾(Jeffrey C Hall)、邁克爾?羅斯巴殊(Michael Rosbash)及邁克爾?楊(Michael W Young)沿著已故西摩?本澤(Seymour Benzer)的研究，用三十年時間探索生物鐘奧秘，終於揭開其神秘面紗，找到了操控晝夜節律的分子機制。

在他們之前，西摩?本澤曾在果蠅身上發現一個基因，它經過變異，可以將果蠅的生物鐘調快、調慢，甚至關閉。雖然這未解釋生物鐘如何運作，但踏出關鍵一步。在西摩啟發下，本屆諾貝爾獎三位獲獎者利用基因變異果蠅，做了一些開創性實驗。

周期基因決定生物鐘

他們的研究在1984年取得第一個突破：他們發現若改變果蠅體內一組特定基因，其晝夜節律就會被改變，這組基因被命名為周期基因(period gene，簡稱「the per」)。這個發現向人們揭示出天然生物鐘是由遺傳基因決定的。

在此基礎之上，霍爾和羅斯巴殊有了第二個突破。他們發現果蠅腦內周期基因的核糖核酸(mRNA)和蛋白水平呈晝夜節律性變動──它們在早晨濃度較低，而夜晚濃度升高。香港中文大學生物醫學學院教授陳文樂解釋稱，周期基因的高濃度核糖核酸及蛋白讓人產生睡意，因此人們晚上想睡覺。

發現控制晝夜節律

之後，三位科學家進一步深入研究，發現更多與生物鐘有關的基因(9至12組)，並研究出他們的產生、運作機制，了解這些基因的mRNA及蛋白是怎樣控制晝夜節律的。令人欣喜的是，這些控制果蠅晝夜節律的機制，也適用於其他生物，包括人類。

霍爾激動地表示，有些人曾經對基因研究嗤之以鼻。他說，過去有些哺乳動物學家試圖找出哺乳動物生物鐘運作機制，但一無所獲。「九十年代之前的二十多年裡，沒人嘗試從基因變異角度研究哺乳動物生物節律，他們甚至在公開會議上拿它開玩笑！他們覺得從基因角度出發是愚蠢的，不會有任何發現。」

事實證明，基因對生物行為影響巨大。羅斯巴殊表示，雖然目前他們的研究尚不能解決人們睡眠節奏遺傳病或需倒時差等問題，「但相信建立在現有基礎上，這些問題都將解決，或許不是現在，不是我們，但相信將來會有突破。」

原文出自：邵逸夫獎獲得者: 用30年破解生物鐘奧秘

總結起來就四個字：不要熬夜！

首先看獲獎理由：

Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和Michael W. Young 三人的工作窺探了生物鐘的秘密，並解釋了其工作原理。他們的研究成果解釋了植物、動物以及人類是如何適應這種生物節律，並同時與地球的自轉保持同步。

我讀了幾篇文獻，替大家通俗的總結出 2017 年諾貝爾生物和醫學獎的最核心問題：

這三個美國佬到底研究了啥？

他們發現了控制晝夜節律的分子機制。

如圖，一盆含羞草。

圖片上半部分，含羞草葉子白天打開，晚上關閉。

圖片下半部分，把含羞草放在持續黑暗的地方，含羞草體內的生物鐘依舊發生作用，在白天時間打開，晚上照常關閉。

通俗的說，他們研究的就是我們平常所說的「生物鐘」。

生物鐘調節身體重要功能，例如：行為、激素水平、睡眠、體溫和新陳代謝等。

生物鐘和我們的健康息息相關。你什麼時候困、什麼時候醒、一天內的體溫變化、什麼時候荷爾蒙高漲想幹壞事，統統是由生物鐘在管理的。

比如，你去美國玩兒回來，為什麼要倒時差？生物鐘決定的唄。

生物鐘紊亂可能帶來的後果包括：

糖尿病

抑鬱症

肥胖

……

保持生物鐘，請按照下圖作息：

你知道諾貝爾獎金多少錢嗎？900 萬瑞典克朗，相當於 740 萬元人民幣！所以，以下是一組價值 740 萬元的建議：

該睡覺的時候就去睡覺，別磨磨唧唧

充分利用早上的時間學習和工作，因為此時效率最高

下午和傍晚時健身效果更好

最最重要的是：

不要熬夜！

別搞事兒，會死人的。

有位知友說的很對（知乎用戶：你對於 2017 年諾貝爾生理學或醫學獎的預測是什麼？），本年度委員會主席Anna Wedell是一位遺傳學家，果然本屆諾獎給了遺傳學……三位科學家都是老派的遺傳學家哦。

敲黑板！來看諾獎官方評價：

三位科學家是最先克隆了第一個節律基因period，從而開啟了對晝夜節律分子機理的研究。

然後這個不該算落在「神經科學」吧[手動捂臉]……畢竟他們也不care MOLECULAR MECHANISM。

貼一個化學振蕩的鐘擺～用這個簡單解釋一下晝夜節律的內在邏輯

http://www.bilibili.com/av12488557

在實驗里，碘酸鉀首先被過氧化氫還原成碘單質，溶液變為藍色（澱粉指示劑）；而隨著碘單質的積累，它又被過氧化氫氧化為碘酸根（過程中有丙二酸的參與，就不展開啦），溶液於是又變為無色。這種藍色與無色往複的變化，就如同一隻鐘擺。

在這個過程中，關鍵就在於過氧化氫對碘單質的負調控作用，它一面推動了碘酸根向碘單質的轉變，一面在碘單質大量積累後將它「拉」回到碘酸根，實現了碘的「負反饋調節」，這和晝夜節律中關鍵基因的作用是相通的

晚上回來繼續填坑吧……

諾獎只是講了發現生物鐘的機制，並沒有談什麼熬夜的危害。

我就想知道，能不能為我不願意早睡早起的習慣找到理論支持。

首先，恭喜三位傑出科學家獲得諾獎。

晝夜節律對幾乎所有生物都有影響，在地球上，這個節律周期基本上是一晝夜——24小時。

那麼對於普通人，晝夜節律的影響，主要在一下三個方面：

體溫

入睡和起床時間

體內各種激素水平的變化

最直觀的一個體現就是，當日落以後，夜晚降臨，你的身體開始表現出倦怠（當然，如果你不是夜貓子）。再比如，你的體溫大約在你睡醒之前的一兩個小時之內開始上升。然後，你會慢慢覺得，哎呀，早上了。體溫在晚上的時候，會變得比較低一些，這時候你會感到比較睏乏。另外，在中午過後的一小段時間，很多很的體溫也會降低，這也是你經常需要午睡的原因之一。

日出、日落都對人的作息產生重要的影響，當然，科學家們也發現並研究了這一現象——人的眼睛對日光的感知，可以直接激活一條信號通路，這條信號通路連接調節晝夜節律的大腦核心的區域。

這裡說的只是一條信號通路，那麼是不是還有其他信號通路呢？是的，比如鍛煉，激素，藥物。

改變生物鐘的事件

工作
上學
社交

生物鐘紊亂的癥狀

失眠
白天犯困
消化不良
敏感易怒
注意力不集中

如何解決生物鐘紊亂

合理安排時間，制定有效的工作學習計劃，鍛煉身體提高身體的適應性，良好的自律性。

最後，

如果你經常性的不按晝夜節律生活，比如熬夜，晚睡晚起，那麼會對身體造成哪些危害呢？請看我的回答：

漆黑的師兄：經常熬夜的人身體到底損失了什麼？