科學家發現 8 小時與 12 小時的基因活性週期

A Biological Basis for the 8-Hour Workday? Researchers uncover 8- and 12-hour Cycles of Gene Activity
http://www.physorg.com/news159642057.html

April 22nd, 2009

(PhysOrg.com) -- 晝夜時鐘（circadian clock）以 24 小時的節律協調生理與行為過程，讓動物能預料牠們環境中的變化，並相應地準備妥當。科學家已知某些基因受到這種時鐘控制，而且在每一個 24 小時的週期中只開啟一次。

現在，賓州大學醫學院與 Salk Institute for Biological Studies 的研究者發現，某些基因每隔 12 或 8 小時開啟一次，這指出較短的晝夜節律（circadian rhythm）週期，也在生物學上被編碼。利用一種新穎的時間戳記（time-sampling）方法，研究者每個小時觀察老鼠肝臟中的基因活性達 48 個小時，他們也發現受到 24 小時時鐘所控制的基因比先前所報告的要多出 10 倍以上。

這是第一份研究者發現有別於 24 小時循環的週期性，在一隻活生生的動物體內運作的報告。

這些發現，出現在四月號的 PLoS Genetics，涉及更加了解正常晝夜節律的擾亂，那促成了一堆病理，諸如心血管與新陳代謝疾病、癌症以及老化相關的失調。

"主頻率以 24 小時為一循環，並不令人驚訝，而且那是最流行的，" 資深作者 John Hogenesch, PhD 表示，賓州 Institute for Translational Medicine and Therapeutics 的藥理學副教授。"讓我們驚訝的是 -- 雖然我們設置此實驗以便看個清楚 -- 12 小時與 8 小時週期。"

為了發現這些較短的振盪，Hogenesch 與 Salk 團隊每小時從肝細胞分離 RNA 達 48 小時。微陣列分析顯示，超過 3,000 種基因依著晝夜節律表現 -- 所有在肝臟表現的基因中，那佔了約 4%。此外，260 個基因在 12 小時週期上表現，63 個基因在 8 小時的週期上表現。研究者在其他五種組織內看見類似的 12 小時基因表現模式。

"對於 12 小時節律而言，那是一種顯著的生物學基礎，" Hogenesch 說。"12 小時基因預測黃昏與黎明。那是二段真的、真的充滿壓力的過渡時期，你的身體得經歷，你的心智也得經歷。任何有年幼小朋友的人就能理解，他們更有可能在這段時間前後哭鬧 -- 而你可能也會跟著他們一起哭。" 這種基因表現中的轉變受到這些協調（harmonics）控制，能幫助一隻動物為了行為及生理學上的變化，那伴隨著從光亮到黑暗再到光亮的轉變，預作準備。"我們較少對待 8 小時的節律，" 他說，"但我們的確能看見它們這項事實，對我而言意味著， 8 小時的週期或許有某種生物學的基礎。"

平行實驗利用 RNA 樣本（那來自於已同步化的組織培養細胞）證明，只存有以 24 小時節律為週期的基因，而沒有顯現較短振盪的證據，這指出某些時機訊號（timing cues）有系統地受到控制，而且有些是受到細胞本身所控制。

餵食顯然控制其中一個 12 小時基因的表現高峰。正好從黑暗中醒來，並消耗約 20% 日常卡路里的老鼠，能接近某一基因表現的高峰。當研究者將餵食時間限制在一天中的不同時刻，那一個 12 小時的高峰就不見了，而其他部份則變得更為明顯。"我們只剩下自主驅動的全日蛋白質轉錄 -- 24 小時的部份 -- 那不因餵食變化而改變，" Hogenesch 說。

高密度時間取樣以及一種額外的付出：該團隊獲得一幅由 24 小時晝夜時鐘所控制的、更清晰的基因圖像。"我們所能測量了蛋白質轉錄數量以及轉錄本身，比我們在較少取樣頻率時間所辦到的更加精確。"

"先前所確認的、規模最大的一組，包括 400 到 500 種受晝夜控制的基因，而現在我們有 3,000 種，那在肝臟中振盪，" Hogenesch 說。利用改良過的統計模型也導致更好的精確度。"例如，我們可以更精確地說，腦下垂體的蛋白質轉錄振盪比肝臟少 10 倍，而細胞自主模型比起來也少了 10 倍。"

本論文共同第一作者為賓州的 Michael E. Hughes 以及 Salk 的 Luciano DiTacchio。其他作者包括賓州的 Kevin R. Hayes 與 Julie E. Baggs、Christopher Vollmers、S. Pulivarthy， Salk 研究者則由 Dr. Satchidananda Panda 所領導，調控生物學實驗室助教授，他也是通訊作者。

※ 故很多現象在死樣本上是找不到的，這符合中醫的觀點。相關報導：

＊ Harmonics of Circadian Gene Transcription in Mammals
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1000442

Michael E. Hughes, Luciano DiTacchio, Kevin R. Hayes,
Christopher Vollmers, S. Pulivarthy, Julie E. Baggs,
Satchidananda Panda, John B. Hogenesch
PLoS Genet 5(4): e1000442.
doi: 10.1371/journal.pgen.1000442

...Here, we report a comparison of oscillating transcription from mouse liver, NIH3T3, and U2OS cells. Several surprising observations resulted from this study, including a 100-fold difference in the number of cycling transcripts in autonomous cellular models of the oscillator versus tissues harvested from intact mice. Strikingly, we found two clusters of genes that cycle at the second and third harmonic of circadian rhythmicity in liver, but not cultured cells. Validation experiments show that 12-hour oscillatory transcripts occur in several other peripheral tissues as well including heart, kidney, and lungs. These harmonics are lost ex vivo, as well as under restricted feeding conditions...

＊ 人體使用手冊
http://alexwu2300.blogspot.com/

＊ 生物時鐘控制染色體纏繞的直接證據
＊ 人眼中第二套感光系統掌控生理時鐘
＊ 夜視奧祕之一在於 DNA 不尋常的結構
＊ 晝夜節律與新陳代謝之間的關連找到了
＊ 調控新陳代謝的生理時鐘
＊ 與生理時鐘、糖尿病、高血糖同時相關的基因
＊ 白血球中時鐘基因的表現與慣常睡眠時機有關
＊ 一夜無眠會增加人腦中的多巴胺
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＊ 低升糖早餐或能增加訓練的益處
＊ 生物時鐘的「貪睡鈕」
＊ 科學家創造出可調式「遺傳時鐘」