芝加哥大学(University of Chicago)的一项新研究发现，光合细菌长聚球菌(Synechococcus elongatus)使用一个昼夜节律钟来精确地测定DNA复制的时间，而打断这种昼夜节律会阻止复制完成，导致染色体在夜间无法完成。该研究结果于5月10日在线发表在《美国国家科学院院刊》(proceedings of The National Academy of The Sciences)上，对理解昼夜节律中断如何影响人类健康具有启示意义。

昼夜节律是地球上大多数生物拥有的24小时生物钟，调节多种生物功能，包括睡眠/觉醒周期、激素生产、消化和体温。对人类来说，昼夜节律的中断——比如倒班工作或频繁倒时差——与一系列健康问题有关，包括肥胖、心血管和免疫功能障碍、情绪障碍，甚至癌症。

我们研究“在大多数物种,如果昼夜节律中断或永久改变,不利于动物的健康,但没有人真的能够解释出错,如果你的钟是什么错误的状态,”资深作者Michael Rust说,“这个蓝藻系统是令人兴奋的，因为它给了我们一个机会来回答这些机械问题，即昼夜节律如何促进生物体的健康。”

尽管人类和蓝藻之间存在着巨大的进化差距，但这些微小的生物体可以为了解关键的细胞功能(如DNA复制)提供见解。“证据表明，昼夜节律在不同物种之间进化了多次，所以这些不同物种之间肯定有一些非常基本和重要的东西是共享的，”拉斯特实验室的博士后学者、第一作者廖毅(音 ，Yi Liao)说。“DNA复制也是一个基本过程，在物种之间是共通的，这给了我们一个线索，它可能受到生物钟的调节。”

研究人员对研究这一过程特别感兴趣，因为它的长度。“有些事情在白天做更好，比如光合作用，而有些事情在晚上做更好，比如固定氮，”Rust说。“但是DNA复制需要三到四个小时来复制整个基因组，所以预测未来是基本需要。你承诺做这件事，但你不知道几小时后的情况会怎样。似乎这一过程可能会利用昼夜节律‘预测’开始复制的正确时间，以确保它在最佳时间窗口结束。”

Liao和Rust结合了延时荧光显微镜、数学建模、分子遗传学和生化方法，能够追踪暴露在不同光照模式(包括恒定光照)下的细菌的DNA复制起始、完成和失败。正常的光/暗周期和周期与意想不到的黑暗周期。

他们发现，即使在没有环境线索的情况下，比如日出和日落，生物钟也会在DNA复制中创造节律。DNA复制通常在时钟状态对应早晨时开始，当时钟预测夜晚到来时被抑制。然而，当细菌的内部时钟预测早晨，而外部环境却意外变暗时，持续的复制无法完成;复制机制分解，留下染色体不完整的细胞。

拉斯特说:“很多东西都受生物钟的控制，但令人吃惊的是，它对DNA复制如此重要。”“如果时钟处于错误的状态，这就是完成复制事件或复制机制完全崩溃之间的区别。”

Liao说，这些结果引发了更多的问题。“这些未完成的染色体的命运是什么?”这会导致基因突变吗?”“也许这是生物钟进化的主要驱动力——你想避免DNA受损和未完成的染色体，所以在历史上，生物钟多次进化以防止这些事情发生。”

在一个后工业革命时代的社会，周围都是可以随意开关的人造光，这些结果可能会对昼夜节律如何影响人类健康以及为什么大规模干扰会造成如此大的破坏产生影响产生影响。

“我们仍然需要回答的一个问题是，DNA完全复制的失败是否会导致突变和基因组不稳定，”Rust说。“生物体有时可能会经历意料之外的黑暗，但它们的生物钟会从日出和日落的周期中得到很强的信号。”在人类中，我们可以控制环境的光照，而忽略太阳，我们知道昼夜节律有变化，我们知道它会导致问题，但不清楚这些问题从何而来。如果你的生物钟处于错误的状态，我们正试图找出可能是最大问题的分子机制。”

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The circadian clock ensures successful DNA replication in cyanobacteria