想象一下你被关在一间既无时钟又无窗户的房间中将会发生怎样的变化。对于大多数人来说，睡眠、苏醒、活动和饥饿等周期性变化将很快按照大约23小时而周而复始地循环，好像身体“知道”一天的长度。环境信号，如白天和黑暗的周期会很容易将生物的节律调整至24小时。

在哺乳动物中，这种内在的生物钟控制着节律的生理和行为，比如激素的分泌，生殖周期和跑、抓等运动。在植物中，相似的生物钟调节着每天光合作用的周期性变化。

近来的研究指出生物钟由分子齿轮所组成，它在与测量时间所相关的DNA转录过程中起着重要的作用。那么生物分子钟在哪里？它在什么时候开始“滴答响”的呢？它又是如何进行工作的呢？

什么是生物分子钟？

一直到1930年，植物学家才开始研究生物的节律。研究发现天芥菜属植物的花瓣不仅随着昼夜的节律而开闭，而且在完全黑暗的环境中也会开闭，这表明这类植物的周期变化并不完全受昼夜节律的影响。

此后，研究范围扩大至所有单核生物（真核生物），也包括一些细菌。现在已经知道，生物分子钟由三个基本的组成部分。第一是输入途径，它将内在生物周期与外在昼夜变化联系起来；第+是自主起博点，由它发出每天生理节律变化的信号；第三是输出途径，它的作用是调节生理上可测节律相表达。许多年来，人们一直认为如此复杂且精妙调节的控制要求组织与细胞间存在高水平的信息传递。事实上，起搏点处的每个细胞均构成一个自主的生物分子钟，并伴随着它们自身的特性而起作用。

生物分子钟在哪儿？

在许多生物中，分子钟位于中枢神经系统的某个特定区域，比如鸟类.、爬行动物和鱼的松果体内含有对光敏感的细胞，具有调节激素的生理节律的功能，因此可将这个区域作为分子钟的位置。在哺乳动物中，分子钟的中心位于下丘脑前一个称为上交叉核（SCN）中，这种SCN由大约一万个神经元组成。这些神经元可根据生理节律的需要分泌大量神经肽（比如加压素等）。它们也将生理节律信号传送到松果体，并将这些信号翻译成另一种调节节律的产物——褪黑素。

视网膜中的可视域提供SCN的神经传人信号，这些信号对哺乳动物的亮暗周期的生理变化是非常必要的。有证据表明，给大鼠的SCN区域予电刺激或药物刺激可引起其生理节律发生改变。将仓鼠的SCN切除75%后即失去了运动、食物摄入、激素分泌和温度调控的节律。而经移植后重建的SCN则具有供者的生理节律。

分子钟基因

生物钟的分子已从不同的生物中分离出来，小到真菌，大到小鼠。第一个被分离得到的是仓鼠中的Tau基因。研究发现，带有一个突变的Tau基因的仓鼠其运动周期由24小时缩短至22小时，带有2个突变基因时则缩短至20小时。不幸的是，由于缺少仓鼠的遗传图，故想进一步确定Tau基因的位置非常困难。

然而，小鼠在遗传学的研究方面很有用。通过光的快速诱导已在其SCN中发现了多个基因。这些基因均编码含有结构基序的转录因子，其中有的调节蛋白质与蛋白质之间的相互作用，有的则调节蛋白质与DNA之间的相互作用。但是，要搞清这些基因在何处发挥分子钟的作用尚无办法。这是因为时钟可清晰地显示时间的变化，而分子钟的作用则需通过其输出信号的表达加以区分。

在链孢霉菌，内源的分子钟负责无性孢子形成的生理节律。其中的频率基因（frq）可能是分子钟的中心成分。由转录产生的frq信使 RNA是该分子钟的核心，知转录产物的峰值出现在早晨。如果诱导frq基因的表达时间，孢子形成的节律就会被破坏。反过来，诱导基因的作用被抑制后可恢复孢子形成的周期性变化。

frq信使 RNA转录本可被翻译成带有两种不同的启动密码的蛋白质，从而产生两种frq多肤链。根据温度的变化可选择不同的启动密码，从而使温度的变化符合生理节律。由于frq基因只有在细胞核内才有活性，故可推测其作用是在转录水平。此外，frq不属于已被明确定义的转录因子，但却具有这些因子的某些特性，如能结合DNA的螺旋-转角-螺旋的结构域，并以细胞核作为目标信号，还具有与转录活动相关的控制区等。

生物钟分子的相关性

在果蝇属，至少有两个基因有着分子钟的功能，它们的产物之间的动态关系确保了生理节律的正常进行。其中之一称为时期基因（per），它是第一个被分离得到的分子钟基因。per基因无义突变后所产生的一种变短的per多肽可导致果蝇失去正常的生理节律。而per基因的错义突变则会改变生理节律周期的长度。研究还发现，per基因的周期性表达受到转录水平的调控。per基因的启动区对于另一个基因的分子钟功能的调控是必需的。

第二个果蝇属的分子钟基因称为永恒基因（tim）。tim基因的突变有着影响per基因的戏剧性结果。即分子钟表达的丧失；per蛋白质的磷酸化作用被破坏；依赖时间的核转运作用被取消。反过来，tim基因的周期性表达也受per基因突变的影响。tim蛋白质通过与per的相互作用产生一种per-tim二聚取物从而来调节per。per中含有一个被称为PAS的结构域，它对于蛋白质与蛋白质之间的相互作用是必要的，因此PAS又被认为是钟分子的“标记”。令人惊奇的是，tim似乎并不含有PAS结构域。总的来说，tim是一种酸性蛋白质，含有一种细胞核所在位置的信号和一种酸性转录活动的结构域。但是，犹如per一样，tim缺少一种与DNA相连的结构域。所以，虽然已有证据表明per和tim均在转录水平起作用，但仍不清楚它们究竟是如何发挥作用的。

钟分子间的相关性似乎是这些蛋白质发挥作用的关键所在。它可能在信号途径的控制下，受到蛋白质修饰的调节。

哺乳动物的分子钟

尽管类似于果蝇属中的tim基因尚未在哺乳动物中被找到，但已在小鼠中找到了编码per1和per2的两种per基因。Per1和per2蛋白质中均含有一种PAS结构域。小鼠的PAS结构域与果蝇属中的PAS非常相似，提示两者的结构和功能特性是可以共享的。然而，小鼠中的per1和per2还含有一种b螺旋-环-螺旋（bHLH）结构域，所以，哺乳动物中per蛋白质的作用方式可能与果蝇蛋白质有所不同。

小鼠的per基因是在SCN中表达的。在持续黑暗的环境中，它们会通过重叠的表达方式显示其生理节律，但存在约4个小时的差别。这些基因在晚上对光的反映是不同的。其中，per1的表达可被快速诱导，而per2则毫无反应。因此，per1可能是对光反应的起博成分。

与小鼠的per分子一起产生作用的一个分子钟因子是钟基因（clock）的产物，因为带有单个突变的clock蛋白的小鼠会出现明显的生理节律的改变。clock含有一个PAS结构域，其序列与小鼠和果蝇中的per的PAS极为相似。clock也含有一个bHLH的结构域。所以，per调节clock的活动是完全可能的。也许clock与其它的协同因子或per和clock类似分子有着密切的关系。

生理节律基因的表达不受神经元组织限制的。比如大鼠白蛋白D成分结构蛋白（DBP）是一种富含于肝脏中的转录因子。DBP的周期性表达随着生理节律而变化，且受到转录水平的调节。而其调节因子却是由肾上腺皮质产生的肾上腺皮质激素。

自身调节的环路

链孢霉属中的frq和果蝇属中的per均通过自身调节环路发挥作用，即它们需依靠反馈作用来调节其自身的表达。在果蝇，per自身调节环路与由tim产生的环路相结合，这种结合用于调节per-tim复合物进入细胞核。这种反馈环路可能是一种节律的标志。

一个典型的例子是由SCN产生的分子钟信号并在松果体中周期性表达的周期性腺苷酸反应成分调节因子（C_）。CREM水平在晚上增加而在白天缺乏，正如per和frq—样，这种周期性表达也在转录水平得到调节。

为什么在生理节律中转录抑制因子会受调节？又是什么因子控制着松果腺的生理变化呢？一个例子是褪黑激素合成的节律。诱导环腺-磷抑制子（ICER）调节5-羟色胺N-乙酰转移酶的表达，后者是褪黑素合成途径中的限制酶。所以，ICER有节律的表达及其反馈环路的存在可能有助于控制褪黑激素的产生。

自身调节的环路似乎是许多分子钟系统的重要特征。但是，在不同的物种中其它分子钟的特征又是如何相似的呢？比如，单从结构和功能上来看果蝇和哺乳动物中的per蛋白很相似，但其可能以不同的方式产生作用。果蝇具有clock蛋白质吗？哺乳动物具有tim蛋白质吗？即使回答是肯定的，那么这些蛋白质的表达以及相互作用会在不同的物种中相同吗？回答这些问题将大大提高我们对分子钟作用的认识。总之，这一领域中分子生物学的研究已取得了惊人的进展。因此，乐观的预言必将成为现实。

［Nature，1998年4月30日］