機體如何維持生物鐘的靈活性?或能揭示癌症和機體衰老發生的原因

181 人參與      分類 : 科學  

近日,兩篇分別發表在國際雜誌PNASeLife上的研究報告中,來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的科學家們通過研究揭示了單一細胞如何通過遺傳和隨機手段來有效維持其內部時鐘(生物鐘)的,文章中,研究人員還解釋了有機體的生物鐘如何維持其靈活性,以及其對於治療機體衰老和癌症為何如此重要。

長期以來,科學家們一直知道,不同生物體有著自身的生物鐘(其周期大約有一天),其支配著生物體包括睡眠、飲食和機體免疫反應等多種行為,然而當脫離生物體後,每個細胞也都有著自己的生物鐘,其周期會表現出很大的不同,長達幾個小時或時間更短,由於在遺傳水平上理應是相同的,所以目前研究人員並不清楚細胞是如何維持這些不同長度的晝夜節律鐘的。

機體如何維持生物鐘的靈活性?或能揭示癌症和機體衰老發生的原因

圖片來源:CC0 Public Domain

為了闡明這一機制,研究人員就對小鼠機體的細胞進行遺傳性修飾以便當生物鐘基因Per2被開啟表達時小鼠細胞就會發光,利用這一手段,研究人員就能夠觀察到細胞自然振蕩的時長,即從較短的21.5個小時到較長的大約28個小時,當研究者將這個時間範圍內的極端細胞分離出來並在培養皿中培養成細胞克隆時,他們發現,這些細胞或許就能夠維持其自身的周期,在多次細胞分裂數月後,短周期和長周期的細胞仍能夠保持其周期長度,這就表明細胞的周期長度或許含有一定的遺傳成分。

當研究者比較兩類細胞中的基因表達時,他們發現有數千個基因要麼更加活躍,要麼更加不活躍,其中許多基因似乎會在大規模的網路中一起協作發揮作用,同時還與機體的壓力反應信號通路和代謝通路相關聯,這就揭示了生物鐘在該過程中的重要性,研究者發現其中大多數基因都與生物鐘直接相關,隨後研究人員提出了一種新型的候選基因池,其在維持細胞周期性方面非常重要。

通過仔細分析到底是什麼誘發了短周期和長周期細胞之間這種基因表達的差異,研究者Takahashi等人追溯到了表觀遺傳學的控制,他們發現,相比誘發基因更加活躍或更加不活躍的基因DNA序列的差異而言,基因表達的活性或許取決於DNA的甲基化水平,當關閉放置或維持基因化學標籤的基因時,細胞的生物鐘長度就會發生改變。研究者解釋道,儘管這種可遺傳的機制能夠解釋細胞周期長度之間的變化,但其或許並不是所有的原因,為了尋找引發細胞周期性的其它可能性原因,研究人員分析了短周期和長周期細胞中生物鐘的確切長度,結果發現,長周期的細胞的周期長度的變化性或許更大,進一步研究後研究者發現,這種變化或許是由基因活性的隨機波動所引起的,而細胞表現出的非遺傳性波動越多,其周期平均就越長,當研究者給細胞注射一種能增加基因活性波動的藥物時他們發現,細胞的晝夜節律時長增加了平均1.5個小時。

研究者Takahashi表示,這些研究結果表明,細胞的晝夜節律鍾或會被遺傳和非遺傳組分所控制,深入理解這一機制或能幫助闡明與生物鐘功能下降相關的自然過程和疾病發生的過程,比如衰老和癌症等,同時還能幫助研究人員理解有機體是如何在引發機體生物鐘緊張的情況下保持生物鐘靈活性的,比如倒時差等。如果機體中的每個細胞都以相同的方式波動的話,我們的身體就會像一個巨大的時鐘而沒有彈性,也無法適應不斷改變的環境,而細胞數量的可變性也會使得我們機體更加靈活,同時還能增加機體的抗逆力。(生物谷Bioon.com)

參考資料:

【1】Understanding the circadian clocks of individual cells

【2】Yan Li, Yongli Shan, Gokhul Krishna Kilaru, et al. Epigeneticinheritance of circadian period in clonal cells, eLife 2020;9:e54186 doi:10.7554/eLife.54186

【3】Yan Li, Yongli Shan, Ravi V. Desai, et al. Noise-driven cellular heterogeneity in circadian periodicity, PNAS May 12, 2020 doi:10.1073/pnas.1922388117