来自范德堡大学（*）的一支跨学科的研究小组，在分析了至今为止最简单的生物钟之后，解析了这个生物钟“滴答”的秘密，他们的研究成果刊登在3月27日的《Public Library of Science Biology》杂志上。
生物钟（**）是微观水平上的起搏点（***），存在于所有生物中，从绿藻到人类，将错综复杂的生化过程有序地排列起来。一个旅行者，如果他/她内在的生物钟与环境的时间不同步，那么他/她就会切身体会到时差带来的痛苦。事实上，当一个人的生物钟出现障碍时（例如适应变化的工作周期），会面临许多类型的生理紊乱，例如季节性情感障碍（Δ）、一些抑郁症、睡眠障碍，等等。现代研究表明这些分子时钟还与
癌症的发生有着重要关联。
在2005年，来自日本的研究者揭开了一项惊人的发现：蓝绿藻（ΔΔ）中的三种蛋白组成了生物钟，当蓝绿藻处在含有三磷酸腺苷（ΔΔΔ；生物反应所需的能量）的试管中时，它们能独立地建起24小时的周期。
“那确实是一个非常大的惊喜，”生物科学教授Carl Johnson介绍说，他是此项新研究的组织者，“我们之前都认为这个系统肯定是更为复杂的，需要
遗传机器的反馈才能正常工作。”
尽管这个生物钟只有三个最基本的组分，即KaiA, KaiB和KaiC，但是当他们开始分析试管中究竟发生了什么的时候，却发现当中的机制超出他们的预想。
“最引人入胜的地方在于这么简单的生物机器却能完成如此重要的功能，它能一直保持着时间节奏，”研究者Williams激动地说道，“它是我至今为止所遇见的最感兴趣的生物学问题。”
三个蛋白中最大的是KaiC，由6个相同的组件结合而成，外形上看像一只桶。伴随着昼夜的循环，KaiC分子周围磷酸基团的数量会有规律地增多和减少。磷酸基团的结合与脱离，准确地说，是磷酸化和去磷酸化，这是一种常见的调控蛋白质功能的方法。KaiC在磷酸化和去磷酸化的状态下，会选择细胞中不同的蛋白质相互作用。这样，就让这个生物钟间断地开启和关闭许多细胞学过程。
基于之前的研究，Johnson和同事对于其他两个稍小的蛋白有一些了解。他们知道当KaiA结合到KaiC上时，磷酸化速率加快，这可能是因为它促进了磷酸基团结合到六聚体KaiC上，也可能是减慢了磷酸基团从KaiC解离下来的速度。与KaiA的作用不同，KaiB一般情况下不结合KaiC，但在KaiC高度磷酸化时会结合上去，并结抗KaiA的作用。更为深入的分析，请参看英文原文。
据physorg网站2007年3月27日报道，范德比尔特大学一个跨学科研究小组对众所周知的最简单生物钟进行了分析，找到了生物钟运作的原因。他们的分析结果发表在《生物科学公共图书馆》期刊的3月27日版中。生物钟是微小起搏器。他们普遍存在于从绿藻到人类的万事万物之中，帮助组织错综复杂的生物化学过程。当旅行者体内生物钟与环境不同步时，他们就会出现一种时差综合症。当一个人的生物钟运行不正常时，他就会出现季节性的情绪波动、感到沮丧、睡眠紊乱及工作时间段调整出现的问题。最近研究甚至发现分子时钟与癌症之间存在联系。
2005年，一群日本研究人员取得了令科学界震惊的研究成果。他们研究发现，把构成蓝绿藻生物钟的三种蛋白质与三磷酸腺甙同时放入一个试管之中，这三种蛋白质自身会进行24小时的循环。三磷酸腺甙是一种能为生物反应提供能量的化学物质。此项新研究的带头人生物科学教授卡尔.约翰逊说，“这太令人吃惊了。我们都认为生物钟系统非常复杂，生物钟要正常工作需要从细胞基因机器中获取反馈信息。”
日本科学家公布的研究成果促进一直从事生物钟研究的约翰逊组建了一个跨学科研究小组，以研究这三种蛋白质是如何建立并保持一个稳定的24小时循环的。他与他的长期合作伙伴生物化学教授马丁.埃格利征募了来自分子生理学系的电子显微镜专家副教授菲比.斯图尔特和研究员迪维特.威廉斯及生物物理学家哈萨尼.迈克霍拉伯教授。还有研究小组外围成员药理学研究员和生物数学家马克.比尔尼。
尽管生物钟只能三个基本部分组成，组成生物钟上的三种蛋白质分别被帖上了KaiA、 KaiB和KaiC的标签，当研究小组开始分析试管中发生的反应时，他们所观察到的反应数量超出了他们的想像。威廉斯说，“最令人惊奇的是一个简单的生物钟能够然保持时间上做出如此令人惊骇的事情。这是我职业生涯以来所经历过的最令人着迷的生物之谜。”研究人员寻找理解的主要问题就是这些分子是如何按照一秒一秒和一分一分的频率进行反应，并且还能保持一个24小时的循环。
生物钟最大的齿轮部分是蛋白质KaiC。它是一个由6个相同成分组成的桶形分子。根据依附在蛋白质KaiC上磷酸盐群数量的有规律增减，生物钟进行24小时循环。磷酸盐依附和脱离被称之为磷酸化和脱磷酸作用过程。它是蛋白质规律性的共有方式。当蛋白质KaiC磷酸化和脱磷酸化时，它会以不同的方式与细胞中的其它蛋白质进行相互作用。这使得生物钟能够打开和关闭各种细胞反应过程。
基于以前的研究，约翰逊和他的同事一同对两个更加小的蛋白质在生物钟中所扮演的角色进行研究。他们研究发现当蛋白质KaiA镶在蛋白质KaiC上时，磷酸化率就会上升，或者会使磷酸盐群能更加容易镶在六碱基上，或者使磷酸盐群更难于脱离。蛋白质KaiB则相反，只有当磷酸化程度很高时它才会附在蛋白质KaiC上。然而，当蛋白质KaiB附在蛋白质KaiC上时会抵消蛋白质KaiA的作用。
开始，研究人员设想了一个相当简单的反应过程：蛋白质KaiA附上蛋白质KaiC，磷酸化在12小时内逐步增加。这时某些东西开始触发蛋白质KaiB介入这些复杂反应，磷酸化开始在随后的12小时内逐步减少。然而，约翰逊和埃格利在净化和晶化蛋白质KaiAC和KaiABC混合物，并用X射线晶体学技术探测这些混合物的结构时却再三失败。直到他们将这些蛋白质混合物放在透射电子显微镜下时，他们才发现他们失败的原因。斯图尔特说，“最终研究证明，这些蛋白质混合物并没有形成一个稳定的结构，这就是我们为何不能对他们进行晶化的原因。它们过三个小时就会从一种混合物转变成另外一种混合物，而后再过三个小时再从另外一种混合物转变成其它混合物。我们在所有时间点上对所有不同混合物进行了混合，只是采用的混合比率不同。”研究人员将24小时循环划分成7等份：开始时蛋白质KaiC磷酸化水平最低，在Up1阶段和Up2阶段磷酸化水平开始增加，直到抵达峰值水平。在随后的“P”阶段，六碱基开始从Down1、Down2和Down3脱去磷酸，直到抵达“T”阶段的最低水平。这时再重头开始。
分析同时还发现，试管中除了蛋白质KaiA、KaiB和KaiC外，还有大量的三种称之为单体的更小的分子，它们是构建生物钟蛋白质的基础材料。蛋白质KaiC是一个六碱基，它由6个单体构成。蛋白质KaiA是一个二聚物，由2个单体构成。蛋白质KaiB是一个四聚物，由4个单体构成。同时三个蛋白质又组成一个混合物，而后解体。蛋白质KaiC同样也解体成单个单体，然后再次组合。
虽然这提供了一个颇具研究价值的过程，但是这一过程的实际情况却无法解释。为了破解这一系统的动力学原理，他们转向求助于比尔尼。这名生物数学家说，“卡尔给我的第一项任务就是找出这一三蛋白质系统与三磷酸腺甙结合时是如何产生一个24小时循环的。我们为这一系统工作原理提出了一个‘最佳推测’方法。”
依照比尔尼的方法，这一系统稳定的关键因素是蛋白质KaiC六碱基与单体之间的转换。他说，“24小时循环是六碱基磷酸化平均水平的变更。为了在这一系统中制造一个持续不变的节奏，你必须找到某种能与个体六碱基磷酸化水平同步的方法。事实是六碱基以一个比磷酸化和脱磷酸化保持磷酸化水平平均分配给整个蛋白质KaiC群过程更快的速率进行单体转换。假如蛋白质KaiC群变得异步，即如果一些六碱基磷酸化和脱磷酸化与其它六碱基不同步，这时六碱基就会脱离与其它六碱基一致的摆动阶段，这样你就会失去节奏。”
这一方法成功解释了三种特定比例蛋白质需要建立一个24小时节奏及温度如何能够重置系统和生物钟系统的通常特性的原因。然而，研究之路仍然任重而道远。斯图尔特说，“本篇
论文将是观察24小时生物钟循环的第一步。研究的下一步将是找出蛋白质是如何一同作为一个纳米机器推动生物钟工作的。”同样，研究人员也认识到活体细胞中的生物钟系统远比试管中的生物钟要复杂得多。在此仅举一例，活体细胞中生物钟的规律水平不同会影响他们的运作，比如生物钟蛋白质单体合成控制。
英文原文链接参见：
http://www.physorg.com/news94188314.html
作者：
2007-3-30