►2017年诺贝尔生理学或医学奖授予杰弗理·霍尔(Jeffrey C Hall)、迈克尔·罗斯巴希(Michael Rosbash)、迈克尔·杨(Michael W Young)。
三位科学家的获奖理由是:因发现控制昼夜节律的分子机制。
获奖人
杰弗里·霍尔(Jeffrey C. Hall),美国遗传学家,1945年出生于美国纽约。1971年在西雅图华盛顿大学获得博士学位,1971年至1973年在加州理工学院担任博士后研究员。1974年,他加入了布兰迪斯大学任教职。杰弗里.霍尔现已退休。
迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash),美国遗传学家,1944年出生于美国堪萨斯城。他于1970年获得美国剑桥的麻省理工大学博士学位。后在苏格兰的爱丁堡大学做了三年博士后研究。1974年以来,在美国沃尔瑟姆的布兰迪斯大学任职。
迈克尔·杨(Michael W. Young),美国遗传学家,1949年出生于美国的迈阿密。1975年,他在奥斯丁的德克萨斯大学(University of Texas)获得了博士学位。在1975至1977年间,他在Palo Alto的斯坦福大学担任博士后研究员。1978年后,他在纽约的洛克菲勒大学(Rockefeller University)任职。
► 生物的生命活动受内在生物节律调控
► 人体在一天中的不同生理活动也受生物钟调控
《知识分子》主编饶毅历时4年撰写两万字长文深度解读生物钟的分子研究历史,在十一长假与各位读者分享智力的愉悦。
撰文|饶毅(《知识分子》主编、北京大学讲席教授)
运气,外在而缥缈;
勇气,内生而实在。
运气不会寻找勇气;
勇气可能碰到运气。
基因的过程中,事先难以预料能否取得突破,事后分析发现勇气足以成功,而运气是锦上添花,虽然花开的特别灿烂。
在研究生物钟生物钟是生物体内周而复始的节律,如人们熟知的:动物的昼行夜伏、植物的春华秋实…。常见的近24小时昼夜节律(circadian rhythm)是典型的生物钟之一。
生物钟现象看似简单,其实不尽然。人们熟知的向日葵朝向太阳,并非每天太阳先出来、向日葵后转向,而是向日葵先朝向、而后才有太阳姗姗来迟。
生物钟的本质难以入手,研究不容易。人们用电生理方法研究而不得入门,1971年从果蝇的一个基因出发开启了生物钟的基因研究,23年后才发现哺乳动物第一个生物钟基因的突变,26年后明确哺乳类的生物钟基因与果蝇的类似,30年后才发现同果蝇一样的基因也控制人类生物钟。
驱动生物钟的内在机理随着一个一个基因的发现和研究,逐渐明朗,从果蝇到人存在同样一批控制生物钟的基因,它们编码的蛋白质合作共事,节律性地调节细胞内的基因转录,都采用了负反馈模式,并与光和温度等外界因素协调,从而对应于地球自转的近24小时节律。
研究生物钟最重要的六位科学家都在美国,其中五位研究果蝇,一位研究小鼠。加州理工学院的Seymour Benzer(1921-2007)和Ronald Konopka(1947-2015)开创生物钟的基因研究,发现第一个生物钟基因period(per)。两个团队克隆per基因:洛克菲勒大学的Michael Young(1949-)领导的实验室,Brandeis大学的Michael Rosbash(1944-)和Jeffrey Hall(1945-)两个实验室合作的团队,他们都还发现调控生物钟的更多基因。哺乳类生物钟基因研究的突破来自当时在美国西北大学、现在西南医学中心的Joseph S Takahashi(高桥,1951-)。
诺贝尔奖。如无意外,生物钟的研究将让果蝇再度引人瞩目。
一百多年来,科学家们因研究果蝇而获1933、1947、1995和2011年四次生物钟的研究历程,出现过有趣和尴尬的故事?
生物钟的研究是否终结,没有重大问题、只剩细节了?
生物钟研究逾四十年,为何迄今尚未出现有效的应用成果?
行为研究的范式变化
生物钟可以看成一种行为模式。
行为是可以被其他动物和人类研究者所观察到的动物外在动作表现。行为研究的范式在1960年以前比较简单,以描述性为主。
因研究消化系统而获1904年诺奖的俄国科学家巴甫洛夫(Ivan Pavlov, 1849-1936),后来却以条件反射的研究更为一般人所熟知。狗见到喜爱的食物会分泌唾液,而原本铃声不会诱导狗分泌唾液,但在铃声与食物多次同时出现后,单独出现铃声可以诱导狗分泌唾液,说明声音刺激与食物刺激之间可以建立联系。巴甫洛夫称食物为无条件刺激,铃声为条件刺激,对条件刺激的反应为条件反射。这种简单的行为学实验是20世纪初行为学的重要进展。
行为主义开创者John B. Watson(1878-1958)于1913发表《行为学主义者宣言》,提出人和动物的行为都很简单,由后天经历所塑造。1920年他用11个月的男孩Albert做实验,试图说明只要后天刺激建立他的恐惧行为,把他本不怕的鼠与铁棒声音偶联后,他见鼠和兔狗等其他动物都哭,认为这是条件反射塑造其行为。
行为学既与生理学和神经生物学相关,也与心理学很近。美国的美国著名心理学家B. F. Skinner(1904-1990)推广行为主义,提出所有动物和人一样,其行为都由后天刺激所塑造,是极端行为主义的代表。他发明了具体的实验设计:操作性条件反射。巴甫洛夫的条件反射只看动物的反应、不看其动作。Skinner用鸽子做实验,在鸽笼装两个钮,鸽子碰一个钮会得到吃的奖赏,触另一钮无奖。一段时间后,鸽子会经常去碰有奖钮,这种条件反射可以由它主动的行为表现出来,而不是流唾液这种被动反应,称为操作性条件反射,它迄今仍为研究学习记忆的重要模型。
1973年诺贝尔生理学或医学奖授予研究行为的科学家:奥地利的Konrad Lorenz (1903-1989)和Karl von Frisch(1886-1982)、荷兰的Nikolass Tinbergen(1907-1988)。他们的研究既不是生理学、更不是医学,而是通过观察动物行为作出推论,接近十九世纪的博物学。
von Frisch研究蜜蜂的行为,有多个发现如蜜蜂有内在的生物钟、有超乎人类的识别偏振光的能力。他得奖是因为发现蜜蜂通过舞蹈传送信息:一只蜜蜂发现食物后,飞回蜂巢告诉其他蜜蜂食物所在地的远近和角度、食物的多少。这是一个奇妙的社会行为,刺激科学界讨论动物是否合作、能否交流、以及语言是什么等问题。
Tinbergen的哥哥是1969年诺贝尔经济奖得主。Tinbergen研究动物的本能行为。本能的行为是天生(并不一定是幼年表现的)、到一定时候动物会表现的行为,比如生殖行为无需教导、也无需观察。Tinbergen和Lorenz发现动物有刻板动作,如一对鹅在交配后,公鹅要做一套特定动作;而一些刺激可以诱导特定动作,如有些特征可刺激鱼视之为敌而攻击。Lorenz也做过本能实验,但他更著名的研究是行为的印迹(imprinting)。他用灰腿鹅做实验,在刚从蛋孵化后一段时期内,如果小鹅见到的移动物体只是Lorenz本人,那么以后这些鹅视Lorenz为母亲,他走到哪里,它们跟到哪里,甚至长大后碰见真鹅,它们犹豫再三还是跟着Lorenz本人。印迹只能在特定时期产生,称为临界期。
1951年Tinbergen提出研究行为有四个方面,两个近端原因(proximate causes):发育(行为如何在个体发育过程中形成),机理(个体行为的原理)。两个终极原因(ultimate causes):进化,和功能(如打架为了抢配偶或食物)。
行为的研究现在都还有很多停留在描述的程度。如2009年von Bayern等的论文,描述乌鸦如何被迫用小石头帮助自己获得嘴巴够不着的食物。主要的行为学的教科书《动物行为学》超过这篇文章的内容也不多。
生物钟研究的突破缘于遗传学的应用。遗传学从孟德尔经摩尔根到1960年代初主要研究的核心是遗传的原理,揭示个体和群体的遗传规律。而1960年代末开始,遗传学作为重要的工具,提供研究生物现象的途径。通过突变观察到基因异常导致的表型,推论基因正常的功能,了解生物学机理。美国生物学家Leland Hartwell(1939-)研究酵母细胞分裂的遗传突变,推论参与细胞分裂的基因,最后有助于理解人类的癌症。
通过异常现象了解正常规律,通过个别例外发现普适原理,是遗传学的核心之一。
生物钟的存在和意义
生物节律与其他节律一样,有震荡的幅度、周期、相位。
自我维持的生理和行为节律发生器(pacemaker),可以受外界环境因素(zeitgebers)所导引、从而同步化。
节律是生物钟的外在表现,生物钟是内在的定时机理。生物钟本身是生物有多种节律,不同的生物有着不同的节律,同一生物也有多种节律。有些动物每年一个周期的冬眠、有些植物每年一个周期的长叶落叶,动物还有更快的周期如呼吸和心跳…,而人们熟知的节律是昼夜节律。不仅大家熟悉的睡眠有昼夜节律,很多其他行为和生理指标也有昼夜节律。
公元4世纪,Androsthnenes知道罗望子树树叶的运动有昼夜差别(McClung, 2006)。意大利的Santorio Santorio(1561-1636)前后30年记录自己从早到晚的摄食量、排泄量和体重变化,发现有昼夜规律。但他们未能区分外界影响的节律与生物自主的节律。1729年,法国天文学家Jacques Ortous de Mairan(1678-1771)用含羞草做材料,观察其叶片和花的变化,将它放置在全暗处一段时间,叶片仍然有张有合,不依赖阳光,但他当时没敢提出植物的昼夜节律是内在的(de Mairan, 1729;Szymanski,1918)。达尔文也研究过植物的节律,并提出昼夜节律的可遗传性(Darwin and Darwin,1880)。常见的向日葵好像围绕阳光的方向转向,但通过红外照相机可以看到向日葵朝向东方的行为早于日出,所以也是内在节律所驱动。昼夜节律并不依赖于地球自转:放到太空,节律照常(Sulzman et al., 1984)。
Aschoff 和Wever (1976)总结人的昼夜节律,德国大学生待在二战留下的堡垒中,灯光恒定、食物恒定、温度恒定、声音控制。在外界环境线索缺乏的情况下,人们仍然保持昼夜节律,只是在十几天后相位滞后。
现在知道,从简单的单细胞蓝绿藻(cynobacteria)细菌到多细胞的人,很多生物有生物钟的存在,但并不清楚是否所有地球上的生物都有昼夜节律。昼夜节律周期接近24小时(常见22至25小时)。在环境线索缺乏时可以继续维持,节律的相位由最后一次环境线索(如光、或温度等)所确定。在环境噪音中,节律照常运行。在一定范围内,节律周期并不随温度的改变而剧烈改变,有温度补偿机制,这不同于一般生化反应:如温度每上升10℃,酶的催化活性提高一倍。
昼夜节律的生物学意义目前仍不清楚。当然在进化过程中,生物活动与地球自转相匹配,也许可以节省能量、或提高效率。但如果没节律又会怎么样呢?蓝绿藻有昼夜节律,把正常的蓝绿藻与生物钟周期异常的细菌在一起长期培养,发现最后生物钟正常的细菌占了绝大多数,由此可见生物钟对生物体有利(Ouyang et al., 1998;Woelfle et al., 2004)。拟南芥的研究也观察到,周期缩短或延长的拟南芥,其固碳量、生长、存活都是与环境设定昼夜周期相吻合的拟南芥最适合,即:短周期突变株在20小时昼夜环境下生活得更好;而长周期突变株在28小时的模拟环境下更好(Dodd et al., 2005)。这些观察,反映了只有当内外源周期保持一致时才最有利于植物生长。观察到周期正常有利于植物,不等于能够解释为什么,所以我们仍然是知其然、不知其所以然。
生物钟研究的新途径
怎么研究生物钟?
能看到动物、植物的变化,是外在表现,而不知道生物钟的核心:振荡发生器。
可以看到钟的长针、短针运动的轨迹,不等于理解了指挥它们运动的机械装置。
早期科学家用电生理研究生物钟,插电极到细胞观察电活动,曾观察到脑内特定部位SCN(视交叉上核,suprachiasmatic nucleus)的电活动有昼夜周期。用解剖学研究,可以了解哪个器官、组织、部位对于个体的生物钟至关重要。这一类研究中,在鸟类发现松果体很重要(Gaston and Menaker,1968;Zimmerman and Menaker,1979),而哺乳类动物的主钟(master clock)被认为是SCN。确定主钟的实验有三类,以SCN为例:损毁它导致动物失去昼夜节律(Moore and Eichler,1972;Stephan and Zucker,1972);将它加回损毁后的动物可恢复昼夜节律(Lehman et al., 1987);在捣毁后,移植其他动物的SCN,新节律与移植物来源的动物节律一样,例如,如果移植物来自周期22小时的动物,那么接受移植的动物周期也是22小时,而如果移植物来自周期20小时的动物,接受移植的动物也获得20小时的周期(Ralph et al., 1990)。
如果用遗传学研究生物现象,特别是用前馈遗传学(forward genetics)——随机筛选影响特定生物现象的突变——无需假设机理;这有别于通常采用的转特定基因、敲除特定基因的反向遗传学(reverse genetics)。这是遗传筛选的优点,但当时和现在都有人认为遗传筛选有很大的缺点:很多行为恐怕不是单个或几个基因所决定的,复杂的行为需要有很多基因参与,用遗传筛选对单个和少数基因有效,对更多基因参与的行为可能效果很差。
对于果蝇的行为,Jerry Hirsch就认为不能用单基因解释、也就不能通过遗传筛选的方法研究行为,只能同时改变很多基因进行代间选择来推断。而本哲(Seymour Benzer,1921-2007)认为果蝇的行为可以用突变单个基因的前馈遗传学来进行研究。1970年代,他们曾发生激烈争论,Hirsch甚至给本哲所在加州理工学院的每一个教授写信称本哲的研究是伪科学。
本哲
纽约出生的波兰犹太裔美国科学家本哲的大学是物理专业,1945年至1953年任教于普渡大学物理系,先研究过当时的热门:锗(Benzer, 1946)。1948年他开始通过参加暑期课程、访问实验室来学生物。1953年转到生物系任教,研究分子生物学,有两个很重要的工作:遗传突变就是DNA碱基序列的变化(Benzer, 1955);基因的顺反子定义(Benzer, 1959)。
►本哲与果蝇模型。图片来源:wikipedia
在分子生物学做出诺贝尔程度的工作后,本哲与英国科学家、DNA双螺旋共同发现者Francis Crick(1916-2004),南非犹太科学家、mRNA发现者Sydney Brenner(1927-)等认为,分子生物学的重要问题已解决、框架已建立,以后只有细节给后辈填空,而他们应该找下一个重要的领域。他们都选了神经生物学:Crick决定研究意识;Brenner决定需要新的模式生物研究神经生物学,他挑选了秀丽线虫,开发了线虫的遗传学,带出一批学生用线虫研究了发育生物学和神经生物学,虽然失去了mRNA应该获得的诺奖,但于2002年因为研究线虫获奖;本哲学习神经生物学后,决定用果蝇研究神经生物学。1967年,本哲转到加州理工学院,并开始发表果蝇行为的遗传学研究论文(Benzer,1967)。
本哲自1967年至2007年一直研究果蝇的行为。他转而研究神经生物学的初期,不仅同事笑他(研究脑袋愚蠢的果蝇,是不是研究者脑袋有毛病),而且“聪明”的学生一般不乐意跟他(你已经功成名就,不怕掉进陷阱,我们可年轻赔不起,不能舍命陪君子)。这一幕在他和Brenner身上都发生过。早期他们的学生要么不求功利、要么不懂生物、要么……总之大多都不是想安安稳稳的人。