你的骨头也有生物钟

　　原创：陈伟坚
　　审核：广州中医药大学第一附属医院 王海彬教授
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　　2017年诺贝尔生理或医学奖授予了对生物钟深入钻研并阐释其内在原理的三位美国遗传学家杰弗里·霍尔（Jeffrey C. Hall）、迈克尔·罗斯巴殊（Michael Rosbash），以及迈克尔·杨（Michael W. Young）。生物钟无处不在，生物钟以非同寻常的精密程度，使我们的生理机制适应每天截然不同的各个时段。生物钟调控着一些关键机能，如行为、激素水平、睡眠、体温以及新陈代谢等。最近有研究发现，生物钟也参与了对人体骨骼的生长发育以及相关骨科疾病的发生发展过程。
　　图1.2017诺贝尔医学奖获得者（图片来源于网络）
　　生物钟，又称昼夜节律生物钟，从单细胞生物到人, 从体温的波动、激素水平的涨落、识别和记忆能力的变化等都呈昼夜节律性。而昼夜节律是所有生物体对可预测的环境改变的一种综合性适应, 这几乎是所有真核生物和部分原核生物的基本特征。哺乳动物的中枢生物钟位，在昼夜节律的产生、维持和调控中起主导作用[1]。在近几十年的研究发现，生物钟同样也存在于心、肺、肾、肝、骨骼肌等外周组织器官，称之为外周生物钟[2, 3]。在自然状态下，生物钟受到光照、温度、食物以及化学物质刺激等因素的影响，生物钟时相以及相关基因的表达强度因此发生改变，从而与外界环境保持同步。
　　图2.生物钟特点（图片来源于网络）
　　早在20世纪前，科学家们就已经通过动植物实验证实了地球上的生物体均受到内源性生物钟的调控。20世纪70年代，美国遗传学家Konopka和Benzer[4]在果蝇中利用化学诱变的方法筛选得到了第一个生物钟基因突变体，发现了第一个控制昼夜节律的基因，并将其命名为周期基因（Per）。此后，杰弗理•霍尔（Jeffrey C. Hall）、迈克尔•罗斯巴什（Michael Rosbash）和迈克尔•杨（Michael W. Young）成功分离了周期基因，并发现该基因编码的蛋白质在白天降解，晚上不断积累特性与自然界24 h的昼夜节律大致相同[4]。1994年，Vitaterna等[9]通过化学诱变剂处理小鼠的实验在哺乳动物体内发现了一种时钟基因——Clock基因。
　　图3.果蝇（图片来源于网络）
　　随着研究的深入开展，研究人员发现在哺乳动物中，转录翻译振荡环路机制是生物钟进行精密调控的主要途径，其核心部分主要由Clock、Bmal1、Per及Cry等组成，RORα和REV-ERBα作为转录调节因子也参与振荡环路的组成[10]。由此形成的负反馈环路产生了生物钟组件有节律的振荡，并使其节律与24 h的昼夜节律大致吻合。
　　生物钟特性[11]
　　这个基因的突变必定会引起生物钟昼夜节律周期发生变化或者导致受生物钟控制的输出失去节律；
　　该基因在表达量的变化必定呈昼夜节律振荡；
　　这个基因表达的过程受阻必定会引起所有输出过程的节律失控；
　　该基因的振荡会受到授时因子的引导；
　　该基因的表达受到负反馈因子的调节；
　　对于哺乳动物而言，该基因应该在SCN区域有所表达。
　　生物钟在骨骼系统的作用
　　骨组织具有自己的生物钟，受到 Bmal1、Clock、PERs等时钟基因的调控。在3～9周龄小鼠的股骨中发现[12]，Per2 基因转录的节律明显，并且对由于外界影响导致的节律紊乱具有可逆性，表明在骨组织具有相对稳定的生物钟。研究人员通过对志愿者进行3周的睡眠限制，对比了20～27岁的年轻人与55～65岁的老年人之间4种骨生物标志物，包括 CTX、P1NP、硬骨素和成纤维细胞生长因子23[13]。
　　人体骨骼是一个不断更新的动态过程，成年人每年约有10%的骨骼会发生骨重塑，以维持骨骼的内稳态。骨吸收和骨形成的动态平衡在骨稳态中发挥着关键作用，成骨细胞( osteoblast，OB) 和破骨细胞( osteoclasts，OC) 介导了这一过程。
　　目前已有大量研究发现生物钟基因功能异常会影响骨稳态的失衡。Clock 基因作为重要的节律调控基因，也可以控制1，25( OH) 2D3 的受体--蛋白质二硫键异构酶 A3的转录，调节骨的形成。蛋白二硫键异构酶 A3 也被证明是一种钟控基因，受上游节律钟基因的控制。而Clock基因突变导致小鼠细胞凋亡增加，骨密度明显降低[13]。
　　目前研究发现，生物钟基因参与了细胞分裂、骨形成、能量代谢、肿瘤形成等众多的生理过程，生物钟基因异常会直接导致生命体昼夜节律紊乱，还会使心血管疾病、代谢性疾病、免疫系统疾病和肿瘤等疾病的发生风险增大。目前，生物钟基因已在许多骨科相关疾病中表达及参与多种骨科疾病的生理病理过程，如退行性椎间盘变性、退行性骨性关节炎、骨质疏松症等。
　　参考文献
　　[1]Nadkarni N A. Evolution of a Length Polymorphism in the Human PER3 Gene, a Component of the Circadian System[J]. Journal of Biological Rhythms, 2005,20(6).
　　[2]Storch K, Lipan O, Leykin I, et al. Extensive and pergent circadian gene expression in liver and heart[J]. Nature: International weekly journal of science, 2002,417(6884).
　　[3]Yasuhiro K, Masahide S, Weihong J, et al. Implications of circadian gene expression in kidney, liver and the effects of fasting on pharmacogenomic studies.[J]. Pharmacogenetics, 2002,12(1).
　　[4]Konopka R J, Benzer S. Clock Mutants of Drosophila melanogaster[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1971,68(9).
　　[5]P R, A Z W, A W D, et al. Molecular analysis of the period locus in Drosophila melanogaster and identification of a transcript involved in biological rhythms.[J]. Cell, 1984,38(3).
　　[6]Bargiello T A, Young M W. Molecular Genetics of a Biological Clock in Drosophila[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1984,81(7).
　　[7]A Z W, A W D, P R, et al. P-element transformation with period locus DNA restores rhythmicity to mutant, arrhythmic Drosophila melanogaster.[J]. Cell, 1984,39(2 Pt 1).
　　[8]A B T, R J F, W Y M. Restoration of circadian behavioural rhythms by gene transfer in Drosophila.[J]. Nature, 1984,312(5996).
　　[9]Hotz V M. Mutagenesis and mapping of a mouse gene,Clock, essential for circadian behavior[J]. Vitaterna M. Hotz, 1994,10(7).
　　[10]Dibner C, Schibler U, Albrecht U. The mammalian circadian timing system: organization and coordination of central and peripheral clocks[J]. Annu Rev Physiol, 2010,72:517-549.
　　[11]范玉贞. 生物钟基因及其表达的调节机制[J]. 生物学通报, 2000(08):24-25.
　　[12]Okubo N, Minami Y, Fujiwara H, et al. Prolonged bioluminescence monitoring in mouse ex vivo bone culture revealed persistent circadian rhythms in articular cartilages and growth plates[J]. PLoS One, 2013,8(11):e78306.
　　[13]Swanson C M, Shea S A, Wolfe P, et al. Bone Turnover Markers After Sleep Restriction and Circadian Disruption: A Mechanism for Sleep-Related Bone Loss in Humans[J]. J Clin Endocrinol Metab, 2017,102(10):3722-3730.
　　[14]Yuan G, Hua B, Yang Y, et al. The Circadian Gene Clock Regulates Bone Formation Via PDIA3[J]. J Bone Miner Res, 2017,32(4):861-871. ADDIN NE.Rep