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PLOS ONE:当数学与生物相遇——12小时生物钟被揭晓

2018/10/03 来源:生物探索
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导读
除了昼夜节律即24小时周期外,一些动物细胞还具有强健的12小时周期的遗传活动,这是最近一期《PLOS ONE》期刊上的新发现。通过采用一种数学分析方法,研究人员发现12小时周期独立于24小时周期工作。这些发现为研究基因功能如何随着时间的推移影响健康和疾病开辟了新领域。

DOI:https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198503

12小时生物钟

“昼夜节律是由环境光线和黑暗驱动的24小时周期后的生理、心理和行为变化。最直观的生理周期之一就是晚上睡觉,白天醒来,”通讯作者、贝勒医学院分子和细胞生物学教授Clifford Dacso博士说, “这些生物节律反映了分子水平上复杂的相互作用,而这些相互作用发生在介导基因表达为细胞中携带功能的活性蛋白的途径中。”

然而,有证据表明,除了24小时节律之外,还存在其他生物周期。例如,血压、体温、认知能力、一些循环激素、对压力的反应和对药物治疗的反应似乎遵循12小时的节奏,但科学家们对其生物学基础知之甚少。因此,Dacso和他的同事试图寻找答案。

Dacso决定需要采用一种不同于过往研究使用的、不偏不倚的数学方法。他联系了莱斯大学电气和计算机工程系的同事,他们把他介绍给了Athanasios Antoulas博士,后者是这项研究的第一作者,也是该系教授、德国马克斯•普朗克学会的研究员。

数学家和工程师Antoulas擅长处理电子波等数字信号,他开发了一种叫做矩阵束法(Matrix Pencil Method)的新数学工具,该方法允许他从非常嘈杂的数字数据中发现频率。

Antoulas解释道,“其他数学方法通过询问数据中是否存在特定的波形来处理这类问题,这些方法偏向于寻找一种特定类型的波;而我们的方法提出了一个不偏不倚的问题:数据中存在什么类型的波(如果有的话)?”

图片来源:nenetus / Fotolia

当数学和生物学相遇

研究人员利用Antoulas分析电子数字信号的方法来分析一种生物现象,特别是每小时收集的36小时的基因表达数据。他们共分析了超过18,000个涉及多种细胞过程的小鼠肝脏基因,包括新陈代谢、细胞应激、细胞周期和细胞呼吸。

“我们的方法揭示了每个基因收集的数据集中所呈现的基本循环,”Antoulas说,“我们确认了24小时昼夜节律周期,并发现了基因的表达随着时间的推移遵循一个12小时的周期,这在使用其他计算方法时并不明显。”

Dacso指出,他们仔细研究了12小时和24小时的周期。矩阵束法揭示了这些周期是独立的,且已经被实验证实;敲除24小时周期后的基因不会影响12小时基因的表达模式

Dacso说:“通过观察基因随时间变化的功能,我们发现了一些基本的细胞功能,如炎症、应激反应、蛋白质质量控制和能量供应都遵循一定的周期,这一发现对于重新定义由基因控制的人类健康的各个方面有着巨大的意义。”

扰乱24小时的生物钟可能会导致新陈代谢疾病。例如,实验证据显示,倒班的工人或出国旅行的人经常会改变睡眠周期,这似乎会导致他们体重增加、糖尿病和其他可能致病的新陈代谢变化。因此,打乱昼夜规律并不是什么好事儿,而对于新发现的12小时生物钟,研究人员预计,扰乱它可能也会影响健康和疾病。

责编:浮苏

参考资料:

Mathematics meets biology to uncover unexpected biorhythms

A novel mathematical method for disclosing oscillations in gene transcription: A comparative study

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