分子生物學 科學報導

三月小新聞主題──生理時鐘對於生物的生理意義

「永恆回歸不斷,日光子夜循環。」──蘇打綠《未了》,這短短兩句歌詞體現了生理時鐘的特徵。生理時鐘(circadian clock),亦稱晝夜節律(circadian rhythm),是指生物內源性的生理現象,並具有持續性以日夜循環為一個週期在生物間高度保守的特徵,在動物、植物、真菌都可觀察到。而生理時鐘的精確調控與生物體內週期性的行為有密切的關聯,例如睡眠週期、代謝、及免疫等功能 [1]。

然而熬夜追劇或工作已是多數現代人的常態,生活作息的錯亂會連帶影響細胞及組織內的生理時鐘並破壞人體正常功能的恆定 [2]。在 2007 年,世界衛生組織更將生理時鐘錯亂(circadian disruption)歸類至潛在的致癌原(probable carcinogens),彰顯生理時鐘的順利運作之於人體健康的重要性 [3]。而 2017 年諾貝爾生理醫學獎共同頒給美國科學家 Michael Rosbash、Jeffrey Hall、Michael Young,以表彰其對於生理時鐘研究的突破性發現 [4]。

根據文獻記載,人們最早觀察到生物的日夜作息可追溯到兩千三百年前:古希臘上將 Androsthenes (of Thasos) 觀察羅旺子樹的葉片運動 [5]。後來第一個有正式科學紀錄的植物日夜週期運動據信是 J. J. O. de Mairan 在 1729 年發表的觀察,紀錄紫草科天芥菜屬(原始法文:heliotrope,另一說是含羞草)葉片的日夜展開、降下(圖二)[6]。等到 1971 年,科學家從果蠅的 X 染色體當中定位出第一個控制果蠅節律的基因- period (per) 。而第一個在哺乳動物身上發現的節律基因──tau,則是等到 1988 年透過研究倉鼠的突變個體才被發現。後來隨著分子生物學技術進步,1990 年代以後相關研究才開始像雨後春筍般蓬勃發展 [7]。

圖一: J. J. O. de Mairan的原始發表。
圖片來源:http://www.bibnum.education.fr/sciencesdelavie/biologie/observation-botanique

圖二:含羞草屬植物因日夜循環而產生的週期性運動。在白天時,植物葉片會有展開行為;而在夜晚時,葉片則會靠攏降下。
圖片來源:https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/

在本月小新聞中,我們將以不同觀點介紹生理時鐘領域近年來的研究進展,其中包括生理時鐘相關蛋白如何在分子層級被調控,以及生理時鐘在動植物生理恆定中扮演的角色,請各位讀者拭目以待。

參考文獻:
1. Patke, A., Young, M. W., & Axelrod, S. (2020). Molecular mechanisms and physiological importance of circadian rhythms. Nature reviews Molecular cell biology, 21(2), 67-84. https://doi.org/10.1038/s41580-019-0179-2
2. on the Identification, I. W. G. (2020). Night Shift Work.
3. Elsevier. (2015, January 5). Rotating night shift work can be hazardous to your health. ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150105081757.htm
4. Press release. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach.<https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/>
5. Jean-Jacques de Mairan (1729) Observation botanique. Histoire de l’Académie royale des sciences, 35-36
6. C. Robertson McClung (2006) Plant Circadian Rhythms. The Plant Cell, 18(4), 792–803, https://doi.org/10.1105/tpc.106.040980
7. Andrew S.I. Loudon et al. (2000) A brief history of circadian time. Trends in Genetics, 16(11), 477-481, https://doi.org/10.1016/S0168-9525(00)02122-3

撰文|王振宇、蕭皓文

About the author

王振宇

王振宇

臺灣大學醫學系畢業後即到診所服務,開始當醫生半年內就遇到COVID-19疫情爆發。度過漫長的兩年,終於在2021年開始就讀加州大學爾灣分校,生態演化博士班。專長為分子演化、基因體結構、植物分類學。大學時期,第一的研究企劃由王震哲教授指導,研究臺灣紫背草屬植物的分類及雜交,第二個研究計畫由王弘毅老師指導,研究台灣淡水魚類的雜交及族群遺傳學。其他的興趣還包含園藝、攝影、製茶、陶瓷。
更多請見:https://www.jen-yu-evolves.com/

About the author

蕭皓文

蕭皓文

日本東京大學醫科研究所博士候選人,研究方向為DNA複製與基因組穩定性在不同細胞類型的功能性角色。除了研究外,也特別喜歡生醫科學寫作及科普知識分享,期待在 Invesitgator 認識到各種不同研究背景的夥伴們,並一起為科學新知推廣貢獻一己之力。

同時在日本台灣生技協會 JTBA 擔任會長,期望促進在日生醫領域台灣人的交流,成為台灣與日本間的橋樑。

Leave a Comment