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意义重大!Science:基因也有“生物钟”,至少影响150种疾病

2018/02/20 来源:生物探索
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导读
自然界所有生物的生命活动都存在节律现象,这就是我们常说的生物钟。2017年诺贝尔生理学或医学奖就授予了发现调控昼夜节律分子机制的3位科学家。而最近,发表在顶级期刊Science上的一项重要研究证实,原来,我们的基因也有“生物钟”。


图片来源:Science(DOI: 10.1126/science.aao0318)

在这篇题为“Diurnal transcriptome atlas of a primate across major neural and peripheral tissues”的论文中,来自Salk研究所的科学家们发现,在许多组织类型和大脑区域中,近80%的基因活动都遵循昼夜节律。这也是将生物钟与基因转录联系起来的最全面的研究。


图片来源:网络

论文的共同通讯作者Satchidananda Panda教授说:“我们首次建立了每日基因表达的参考图谱。该图谱是一个了解昼夜节律紊乱如何导致大脑和身体疾病(如抑郁症、克罗恩病、炎性肠病、心脏病或癌症)的框架。这将对至少150种疾病的机制理解以及疗法优化产生巨大影响。


图片来源:Science

具体发现

该研究中,利用RNA测序,Panda教授等在24小时内,每2小时追踪几十个不同的非人灵长类动物组织的基因表达。结果发现,每个组织都包含一些“在一天中不同的时间以不同的水平表达”的基因。不过,这些有节律(生物钟)的基因的数量因组织类型而异:从“松果体、肠系膜淋巴结、骨髓等组织中的约200个”到“前额皮质、甲状腺、臀肌和其他组织中的超过3000个”不等。此外,最常表达的基因(genes that were expressed most often)往往表现出更强的节律性。

在灵长类动物基因组的25,000个基因中,近11,000个基因在所有组织中表达。这些基因主要控制常规的细胞功能,如DNA修复、能量代谢;其中,96.6%的基因在至少1种组织中特别有节律性,即,取样时间不同,它们的表达会出现显著变化。

研究还发现,在大多数组织中,基因转录在清晨(early morning)和下午晚些时候(late afternoon)达到高峰;在晚餐后的晚上(the evening after dinner)和约就寝时间(around bedtime)平静下来。81.7%的蛋白质编码基因有节奏效应,这种生物钟机制比先前怀疑的要广泛得多。


The research team pictured in front of the chronobiology facility established by Howard Cooper, at the Institute of Primate Research in Nairobi, Kenya.Credit: Institute of Primate Research

意义重大

论文的另一共同通讯作者Howard Cooper博士说:“我们的发现提供了新的见解,可能会影响如何进行科学研究的验证。举例来说,当科学家们想要重复先前的研究成果时,可能要更加关注具体的实验是在何时进行的。此外,基因的生物钟机制也可能会影响药物的有效性。未来,药剂师可能会为患者提供关于用药时间更详细的说明,包括一天吃几次,具体何时吃等。”

“我们发现,超过80% 被FDA批准的药物靶点在至少一种组织中具有节律性。而除药物靶点外,许多其他影响药物有效性或毒性的机制(如吸收、代谢和排泄)也可能会受到生物钟的调节。” 论文的第一作者Ludovic Mure补充道。

此外,作者们认为,该研究所建立起的基因表达谱也可以帮助科学家们阐明,深夜的生活方式(late-night lifestyles)如何影响人类健康。这可能适用于轮班工作者或任何经常违背昼夜周期的人。同时,这项工作也可能会促进衰老研究,因为随着人们逐渐变老,这些节律经常会被打乱。

参考资料:

Timing is everything, to our genes

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