研究揭示果蝇生物钟机制

温度越高，生理过程越快。但有一个例外：所谓的生物钟，它调节生物体的睡眠-觉醒周期。对于科学家来说，一个令人着迷的问题是，为什么内部时钟在温度波动的情况下仍以几乎不变的方式运行。这是一种称为温度补偿的现象。研究表明，不同的分子机制对此有贡献。

由明斯特大学(德国)的 Ralf Stanewsky 教授领导的生物学家团队，与加拿大达尔豪斯大学和德国美因茨大学的团队合作，现在已经找到了难题中的重要部分，提供了答案这个问题。他们的工作成果已发表在《当代生物学》杂志上。

该团队在果蝇 Drosophila melanogaster 中发现了一个点突变，该突变导致生物钟周期随温度而延长。它位于称为“周期”(per) 的中央“时钟基因”中。具有这种 perI530A 突变的果蝇在 18 摄氏度下表现出 24 小时的正常睡眠-觉醒节律。相比之下，在 29 摄氏度时，内部时钟会慢 5 小时左右，即持续 29 小时。周期的延长也会影响大脑时钟神经元中周期基因的表达，换句话说，就是影响周期基因的活动。

通常，相关蛋白质 (PERIOD) 在 24 小时内会逐渐发生化学变化——具体来说，它会被磷酸化。最大磷酸化后，它被降解。在这里，这个过程在 18 到 29 摄氏度之间的温度下通常也是相同的，此时果蝇很活跃。正如研究人员所表明的那样，磷酸化在 perI530A 突变体中在 18 摄氏度时以正常方式发生，但随着温度升高而降低。这导致“PERIOD”蛋白质在较暖的温度下稳定。

该团队研究的突变影响了所谓的核输出信号(NES)，它也以这种形式出现在哺乳动物的周期基因中，并在将 PERIOD 蛋白转运出细胞核中发挥作用。这种从细胞核中输出的生物学功能以前是未知的。目前的研究表明，这种突变导致 PERIOD 蛋白在中央时钟神经元的细胞核中的保留时间延长——同样，只有在较高的温度下。“因此，我们假设，”拉尔夫·斯坦纽斯基 (Ralf Stanewsky) 说，“从细胞核中输出蛋白质在温度补偿中起着重要作用——至少就果蝇而言是这样。”

在他们的研究中，科学家们使用了他们使用现代分子遗传学方法(CRISPR/Cas9 诱变和同源重组)产生的周期基因 (perI530A) 发生修饰的果蝇突变体。然后对这些动物进行测试，看看它们的睡眠-觉醒周期——以及它们的跑步活动——是否因环境温度而不同。

研究人员使用多种方法可视化时钟基因及其在大脑神经元中的活动。他们使用的方法之一是明斯特团队与加拿大研究人员合作开发的一种称为局部可激活生物发光 (LABL) 的新方法。这种涉及生物发光的方法可以在活果蝇中测量时钟神经元中的节律基因表达——这些神经元只占所有大脑神经元的一小部分。

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