UT西南科学家领导的两项新研究概述了个体细胞如何通过遗传和随机方式维持其内部时钟。
这些发现分别于5月1日和27日分别发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)和《eLife》(eLife)上，有助于解释生物体的生物钟如何保持灵活性，并可能为衰老和癌症提供见解。
科学家们早就知道，各种各样的生物都有自己的生物钟——周期大约为一天——这些生物钟控制着睡眠、饮食和免疫反应等行为。
然而，当单个细胞从生物体中移除时，它们也有自己的时钟，其周期可以有很大的变化，最长可延长或缩短几个小时。
UT西南医学中心神经科学系主任、UT西南Peter O'Donnell Jr.脑研究所成员、Howard Hughes医学研究所研究员Joseph S. Takahashi博士解释说，细胞如何维持这些不同长度的内部节律尚不清楚，因为这些细胞在遗传水平上应该是相同的。
为了研究这个问题，他和他的同事们对老鼠细胞进行了研究，这些老鼠细胞的基因被改变了，当一个名为Per2的生物钟基因被激活时，它们就会发光。
使用这个工具，他们可以看到细胞的自然振荡有多长——从21.5小时的较短周期到近28小时的较长周期。
当他们在这个范围的极端情况下分离细胞并在培养皿中克隆时，研究人员发现这些细胞保持了它们的经期。
短周期细胞和长周期细胞即使在几个月的多次细胞分裂后仍保持其极端周期长度，这表明周期长度具有遗传成分。
当研究人员比较两组细胞的基因表达时，他们发现数千个基因要么更活跃，要么更不活跃。
这些基因中的许多似乎在大规模网络中协同工作，并与应激反应信号通路和代谢途径有关，强调了这些过程在昼夜周期中的重要性。
这些研究的主要作者，UT西南大学的李燕博士说，这些基因中的大多数从未与昼夜节律联系在一起，这表明一个新的候选基因库可能对维持细胞周期性很重要。
高桥和他的同事们仔细研究了导致短周期细胞和长周期细胞之间基因表达差异的原因，将其追溯到表观遗传——或“基因组之上”——控制。
研究人员发现，不是基因本身的DNA序列差异导致它们的活性高低，而是它们的活性取决于基因DNA的化学修饰，即DNA甲基化。
当他们关闭放置或维持这些化学标签的基因时，细胞的昼夜周期长度发生了变化。
Takahashi解释说，尽管这种遗传机制可以解释细胞周期长度之间的一些差异，但并不是全部原因。
为了寻找细胞周期的其他来源，研究人员检查了短周期组和长周期组的昼夜节律周期的确切长度。
他们发现经期较长的女性经期长度变化最大。进一步的测试表明，这种差异是由基因活动的随机波动引起的。
细胞表现出的这种不可遗传的波动越多，它们的平均周期就越长。
当研究人员给细胞注射一种增加基因活性波动的药物时，它们的昼夜节律周期平均延长了约1.5小时。
Takahashi说，总之，这些结果表明细胞的昼夜节律是由遗传和非遗传成分控制的。
更好地了解这些机制，可以对与生物钟功能下降相关的自然过程和健康问题(如衰老和癌症)提供一些见解。
它还可以帮助研究人员更好地理解生物是如何在生理时钟紧张的情况下保持灵活性的，比如时差。
Takahashi是Loyd B. Sands神经科学杰出教授。
