生理時鐘是指生物體以 24 小時為一循環的週期在生理、心理與行為上的改變。由於生物體需要依照外在環境的刺激及行為，如日照、溫度與進食，發展相對應的生理反應與功能，進而調節生物體的恆定。然而現代人生活值班、熬夜造成的不規律作息連帶影響生理時鐘運作及功能，甚至產生疾病。近年醫學研究也發現，慢性疾病如糖尿病、肥胖、憂鬱症、躁鬱症、與睡眠失調與生理時鐘失衡相關 (圖一) [1]。1971 年，科學家首次在一種基因突變的果蠅上發現調節節律的基因－period (per) [2]；然而，如何透過改善生理時鐘來治療疾病仍尚待探討。因此，在去年三月主題中，我們介紹了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。以下我們將以不同角度回顧去年三月生理時鐘主題月的文章：生理時鐘在細胞乃至生物體層級的運作方式。
圖一：生理時鐘在生理系統的調控。睡眠：生理時鐘失調影響人睡眠時間與品質，可能造成憂鬱症、躁鬱症跟阿茲海默症。代謝：生理時鐘失調影響會透過轉錄因子PPARγ影響脂肪生成，造成肥胖、糖尿病。微生物群象：生理時鐘失調會影響脂肪攝取造成肥胖。心血管：生理時鐘失調會增加粥狀動脈硬化與心血管疾病風險。老化：生理時鐘失調會影響壽命跟老化相關指標。癌症：生理時鐘失調會增加癌症細胞增長。
圖片來源：https://doi.org/10.1186/s13073-019-0704-0
轉譯後修飾
在生理時鐘週期中，細胞會在晝夜進行轉譯後修飾影響生理時鐘蛋白表現。在果蠅研究中，MTOR 蛋白泛素化 (Ubiquitination) 程度會隨著日夜週期波動，這個調控使得 TIM 蛋白濃度也隨著生理時鐘改變 [3]。此外， TIM 蛋白 S1404 位點的磷酸化促進自身進入細胞核，並跟一個可以調控生理時鐘相關基因的蛋白 PER 形成 PER-TIM 二聚體，調控後續基因表現的節律 [4]。此外蛋白質上的 SUMO 修飾也與生理時鐘相關。在 PER2 蛋白 K736 位點的 SUMO1 修飾可以抑制 PER2 蛋白轉錄；同一個位點如果是 SUMO2 修飾則會促進 PER2 蛋白 S662 位點磷酸化，促進 β-TrCP 對其泛素化引起蛋白自身的分解 ，並藉此調控 PER2 抑制基因轉錄的功能 [5]。
植物的生理時鐘
在白天時 ，植物體中重要的轉錄因子 CCA1/LHY 抑制自己跟 TOC1 表現，在傍晚 TOC1 抑制 CCA1/LHY 的互鎖回饋循環 (interlocked feedback loops) 方式形成晝夜震盪；此外，生理時鐘的調控機制也跟轉錄後修飾相關。隨著溫度的不同，植物會透過選擇性剪接 (alternative splicing) 產生不同的 mRNA 並決定表現的蛋白是否具有功能性 [6]。這些複雜的調控會藉由逆境調節基因幫助適應非生物壓力。研究發現，生理時鐘蛋白 LHY 會影響離層素 (ABA) 與乾旱壓力相關蛋白表達，促進植物因應旱災的能力 [7]。因此，探索植物生理時鐘有助於協助提高經濟作物產量，改善糧食短缺問題。
動物生理時鐘與老化
在果蠅模型中，當 PER 基因突變時，會透過增加 UCP4B 及 UCP4C 表現以促進粒線體解偶聯 (mitochondrial uncoupling)，降低腸道中的活性氧化物，延長雄性果蠅壽命，並抑制與衰老相關的腸道細胞增殖 [8]。同時，在老化的過程中，生理時鐘也會參與免疫功能 。在年輕的老鼠上，白天的免疫反應會比晚上高，更能抵抗細菌感染。然而，老化的巨噬細胞中轉錄因子 KLF4 減少，使吞噬病原的能力下降，且不會因為節律時間而改變 [9]。
動物生理時鐘與腦功能恆定
生理時鐘在中樞神經系統也參與許多生理功能。在膠淋巴系統研究中，白天大腦需要透過星狀膠細胞上的 AQP4 蛋白將腦脊隨液運輸到腦實質組織，到夜間時，透過腦膜淋巴管排出代謝物至周邊淋巴結 [10]。除了排除代謝廢物外，血中物質在大腦的通透性亦受生理時鐘調控。在果蠅的血腦障壁中的神經膠細胞中，其鎂離子的通透性會隨著白天黑夜有所差異：在白天時，鎂離子通透性增加，細胞內鎂離子上升，活化細胞的 P-glycoprotein 1 運輸蛋白 (pgp) 並將腦內物質排除，反之在夜晚因為鎂離子通道通透性降低， pgp 蛋白被抑制，使物質保留在大腦，後續更證實藥物進入血腦障壁的通透性也會受到日夜節律影響 [11]。
那生理時鐘蛋白的運作與人體疾病是否相關呢？我們介紹了一篇臨床論文，針對失眠症狀者的樣本進行全基因體關聯分析 (genome-wide association studies, GWAS)，其發現生理時鐘基因 PER3 、CRY1、CRY2 與 ARNTL的單一核苷酸多型性 (single nucleotide polymorphism; SNPs) 與失眠相關，部分解釋了生理時鐘與失眠的關聯性 [12]。
結語
在去年三月我們介紹了生理時鐘分子可以透過轉譯後修飾被調控，在植物及動物模型中，生理時鐘蛋白也與生物體恆定息息相關。因此生理時鐘影響的功能與應用範圍甚廣，若能透過對於生理時鐘與其他疾病的關聯性及機制研究，或許可以提供疾病更好的治療方法，解決目前醫療上的困境。
參考文獻：
1. Rijo-Ferreira, F., & Takahashi, J. S. (2019). Genomics of circadian rhythms in health and disease. Genome medicine, 11(1), 82. https://doi.org/10.1186/s13073-019-0704-0
2. Konopka, R. J., & Benzer, S. (1971). Clock mutants of Drosophila melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 68(9), 2112–2116. https://doi.org/10.1073/pnas.68.9.2112
3. 日夜交替調控果蠅腦內泛素化及蛋白質體
4. 控制生理時鐘蛋白進出細胞核的開關 – 找出關鍵磷酸化位點
5. 生理時鐘分子的轉譯後修飾 — SUMO 修飾決定 PER2 蛋白的命運
6. 植物晝夜節律震盪 – 機制介紹與近期研究發展
7. 植物生理時鐘與環境壓力 — LHY 與 ABA 之間的交響曲
8. 抗衰老解密：晝夜週期與粒線體代謝的關聯
9. 老化影響巨噬細胞晝夜節律的分子機制
10. 晝夜節律調控大腦清除廢物的機制
11. 血腦障壁中也有生物時鐘？
12. 失眠與晝夜節律基因關聯性之探討
撰文｜許淵聖
審稿｜蕭皓文
