fruit flies around a clock moving in orange and brown

地球上几乎所有的生物——从细菌到植物再到人类——都有昼夜节律，这是一种生物钟，在24小时内控制着生物体的生理和行为。

几十年来，这种内在的生物钟一直是深入研究的主题(驱动这种生物钟的基因的发现导致了2017年的诺贝尔奖)，但昼夜节律在活细胞内是如何工作的，直到最近才被了解。

利用在果蝇中发现的相对简单的时钟(黑腹果蝇)，密歇根大学的研究人员Yangbo Xiao博士，Ye Yuan博士，Swathi Yadlapalli博士和他们的同事揭示了时钟蛋白质和基因的亚细胞位置随着每天的时间推移而波动，这表明空间信息被转换成与时间相关的信号。

“现在，我们可以在时钟滴答滴答的时候，在果蝇大脑中可视化这些蛋白质，”密歇根医学院细胞和发育生物学助理教授亚德拉帕里说。

果蝇和人体内的生物钟是由特定基因对环境信号(如光线)的响应而产生的。一些基因在白天更容易表达，而另一些则在晚上更容易表达。

由昼夜节律控制的最著名的过程之一是睡眠-觉醒周期。这种周期部分是由于褪黑激素的产生，褪黑激素在晚上波动，最高，导致困倦。

其他几个身体过程在24小时内波动，由24小时内上升和下降的RNA表达控制。所有真核生物的生物钟都是基于一个简单的负反馈回路。真核生物的细胞在包膜的细胞核内携带DNA。

“基因在我们细胞内被移到细胞核边缘，然后又移回来，基本上每12小时一次，每一天一次——贯穿整个有机体的生命周期。”Swathi Yadlapalli博士。

“你的细胞正在制造关键的时钟蛋白质，一旦水平足够高，这些蛋白质就会进入细胞核，停止它们自己的mRNA生产。”果蝇的生物钟是由四种蛋白质组成的，分别是:时钟、周期、周期和永恒。这四种蛋白质会产生反馈回路，并控制几个生物钟调节基因的表达。用CRISpR标记一种叫做每，研究人员使用高分辨率显微镜观察它在24小时内的振荡。

她的团队发现，pERIOD在细胞内的组织结构令人惊讶，而不是随机分布。在基因不被表达的抑制阶段，这些蛋白质在细胞核的边缘(被称为核膜)周围产生分散的焦点球。

亚德拉帕里说:“基因在我们细胞内被移到细胞核边缘，然后又移回来，基本上每12小时一次，每一天一次——贯穿整个有机体的一生。”这种运动调节着昼夜节律。

研究小组进一步观察到，没有核膜的果蝇在对光和黑暗的反应中表现出异常行为。

亚德拉帕里说:“如果你扰乱果蝇大脑中这150个神经元的这个过程，就会影响果蝇的睡眠/觉醒周期。”

这项研究为了解昼夜节律钟在亚细胞水平上的功能提供了基础见解。亚德拉帕里说:“如果生物钟被打乱，这发生在老年时期，并伴随着一些突变，这可能会导致许多紊乱，比如睡眠和代谢紊乱，甚至癌症，因为生物钟控制着细胞何时决定分裂。”

“Clock proteins regulate spatiotemporal organization of clock genes to control circadian rhythms,” proceedings of the National Academy of Sciences (pNAS). DOI: 10.1073/pnas.2019756118