來自霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)在人體中并不只有少數(shù)的關(guān)鍵基因和蛋白以24小時(shí)晝夜節(jié)律模式隨日升日落循環(huán)開啟和關(guān)閉。在整個(gè)機(jī)體的器官中有成千上萬的基因顯示出可預(yù)測(cè)的日常波動(dòng)，它們的活動(dòng)周期以一種復(fù)雜多樣的方式受到調(diào)控。

新研究的核心在于發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄基因的關(guān)鍵酶——RNA聚合酶的功能隨著晝夜節(jié)律周期而改變。相關(guān)論文在線發(fā)布在8月30日的《科學(xué)》（Science）雜志上。

德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心HHMI研究人員Joseph S. Takahashi說了解基因如何在一整天中循環(huán)開啟和關(guān)閉是理解包括人類睡眠和代謝在內(nèi)的許多生物學(xué)功能的關(guān)鍵。“如果你對(duì)這些晝夜節(jié)律基因的靶標(biāo)進(jìn)行觀察，頂端的類別就是代謝信號(hào)通路。時(shí)鐘與每日的代謝調(diào)控密切相關(guān)?！?/SPAN>

Takahashi說：“這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了轉(zhuǎn)錄時(shí)間動(dòng)態(tài)的新圖片。它向我們提供了一條有趣的新途徑總體上觀察晝夜節(jié)律周期以及聚合酶和轉(zhuǎn)錄物。”

自上世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)生物鐘基因Clock以來Takahashi和他的研究小組一直從事Clock基因和蛋白質(zhì)產(chǎn)物的研究。他和其他的研究人員已經(jīng)確立了CLOCK和另外兩種蛋白BMAL1和NPAS2可在白天結(jié)合到基因上并激活它們，而另外4個(gè)生物鐘調(diào)控因子PER1、PER2、CRY1和CRY2蛋白則在晚上抑制基因。

Takahashi和同事們想全面了解這些激活子和抑制子是如何協(xié)同作用來維持身體24小時(shí)節(jié)律的。于是他們?cè)谛∈蟾渭?xì)胞中深入地研究了這些調(diào)控蛋白結(jié)合到了基因組的何處靶向了基因。當(dāng)他們開展研究時(shí)，研究小組驚訝地發(fā)現(xiàn)有一個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合到了超過2萬個(gè)位點(diǎn)上。所有7種蛋白都能夠結(jié)合到其中超過1000個(gè)位點(diǎn)上，但許多的位點(diǎn)都只是生物鐘激活子或是抑制子的靶點(diǎn)，并非兩者共同的靶點(diǎn)。這同樣讓人感到吃驚，Takahashi說：“我們本來天真地認(rèn)為它們只是全部都結(jié)合到了相同的位點(diǎn)?！?/SPAN>

為了確定生物鐘蛋白如何結(jié)合影響了基因活性，科學(xué)家們繼續(xù)測(cè)試了在肝臟中活性狀態(tài)的所有基因每日的表達(dá)模式。

為了開始生成活性基因的蛋白質(zhì)，細(xì)胞首先要將基因中的信息轉(zhuǎn)錄為RNA，因此對(duì)應(yīng)特異基因的RNA數(shù)量可用于測(cè)量基因活性。在RNA分子用于生成蛋白質(zhì)前，RNA分子必須經(jīng)過一些加工處理，這可能會(huì)影響將生成的蛋白質(zhì)數(shù)量。作為這一RNA加工的部分，細(xì)胞必須切除密碼中稱之為內(nèi)含子的間斷部分。剩余稱作外顯子的片段包含了由基因確定用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的必要信息。

為了了解更多有關(guān)生物鐘基因的調(diào)控機(jī)制，Takahashi研究小組在他們的細(xì)胞中分別測(cè)量了外顯子RNA和內(nèi)含子RNA的存在。

如果基因表達(dá)周期完全在轉(zhuǎn)錄水平上受到調(diào)控，外顯子和內(nèi)含子RNA始終會(huì)在相同的時(shí)間增加或減少。但研究人員發(fā)現(xiàn)了一些不同的東西。超過2000個(gè)基因在外顯子水平上顯示出日循環(huán)表達(dá)，少于1400個(gè)基因在內(nèi)含子水平上顯示出晝夜節(jié)律模式。此外，內(nèi)含子RNA轉(zhuǎn)錄物都在相同的時(shí)間循環(huán)達(dá)到高峰，而外顯子RNA轉(zhuǎn)錄物的高峰則散步于一天中不同的時(shí)間。

Takahashi 說：“當(dāng)我們比較內(nèi)含子和外顯子循環(huán)基因組時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)幾乎沒有重疊。只有22%的外顯子循環(huán)基因在轉(zhuǎn)錄水平上受到調(diào)控?！绷硗?/SPAN>78%的外顯子循環(huán)基因因?yàn)閮?nèi)含子和外顯子RNA轉(zhuǎn)錄物不相配，增高和降低必須是發(fā)生在調(diào)控較遲水平上，而非從DNA到RNA的初始轉(zhuǎn)錄。

為了深入探討在轉(zhuǎn)錄水平上具有周期性變化的基因調(diào)控發(fā)生的機(jī)制，并找出它們均在同一時(shí)間達(dá)到高峰的原因，Takahashi和同事們測(cè)試了轉(zhuǎn)錄中的第一步——RNA聚合酶II結(jié)合到基因上的計(jì)時(shí)。他發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一天中結(jié)合發(fā)生遠(yuǎn)早于基因轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄的激活子CLOCK 和BMAL1招募RNA聚合酶II到循環(huán)起始，但受到抑制子CRY1存在的抑制。因此，在開始轉(zhuǎn)錄前RNA聚合酶準(zhǔn)備或是停頓了幾個(gè)小時(shí)。這些晝夜節(jié)律依賴性步驟包括了RNA聚合酶招募和從準(zhǔn)備狀態(tài)釋放。

“我們最終發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶II啟動(dòng)是在全基因組水平上具有晝夜節(jié)律的。與RNA聚合酶II和轉(zhuǎn)錄的全面調(diào)控一起，我們還發(fā)現(xiàn)了通過晝夜節(jié)律時(shí)鐘染色質(zhì)狀態(tài)的全部調(diào)控。對(duì)維持DNA完整性至關(guān)重要的組蛋白也跨越基因組在晝夜節(jié)律基礎(chǔ)上被廣泛修飾?！边@表明幾乎每個(gè)基因都有可能隨晝夜節(jié)律周期受到調(diào)控。他補(bǔ)充說下一步就是要找出RNA聚合酶如何在每日基礎(chǔ)上受到調(diào)控，什么使得聚合酶在一天的某些時(shí)間暫停某些基因。并且當(dāng)然關(guān)于其他RNA分子如何在轉(zhuǎn)錄后受到調(diào)控還仍然待解。