生物钟作用机制及其对动物年节律产生的影响

生物钟几乎存在于所有生命体,是生物适应外界环境的每日周期性变化而产生的内部活动。生物钟在体内受转录-翻译-负反馈环路调控,能调节组织、器官的活动,其正常维持对生物的健康、生长、繁殖等具有重要意义。与之相对,由于环境的四季变化,生物也形成了体内的年周期生理变化,如季节性发情、昆虫滞育等。生物的年节律在外部主要受光周期为主的环境因素影响,在体内则与基因表达、激素含量和细胞组织形态的变化有关。褪黑素是识别外部光周期变化的重要信号,而生物钟在垂体解析褪黑素信号并调控下游信号变化中扮演着重要角色,对环境年度变化的识别和机体年节律的产生具有重要指导作用。本文通过介绍昆虫和哺乳动物的昼夜节律和年节律产生的机制,并结合鸟类的年节律,综述了生物钟对年节律产生影响的作用机制研究进展,以期为今后研究年节律的影响机制提供更广泛的思路。     

生物钟基因与哺乳动物生殖

近日节律是生物节律中最重要的一种。它是一种以近似24 h为周期的自主振荡器,普遍存在于生物界中。近日节律主要受生物钟基因的调控,在哺乳动物中已发现时钟基因(Clock)、周期基因(Period,Per)家族、隐花色素基因(Cryptochrome1,Cry)家族、Bmal1(Brain and muscle ARNT-like 1)在内的多种重要的生物钟基因。这些基因及其蛋白质产物构成的反馈调节环是生物钟运行的分子基础。研究表明,生物钟基因不仅仅在近日节律的中枢系统中存在表达,在外周组织中也存在表达。而且生物钟基因与哺乳动物生殖密切相关,提示可能在生殖领域中具有重要的调控作用。主要从几个关键生物钟基因的发现、在近日节律和非近日节律中的调节作用、以及与哺乳动物生殖的关系做一综述。     

生物钟与心血管疾病联系的研究进展

昼夜节律广泛存在于生命体中,主要由生物钟调控,使生命活动呈现以24 h为周期的变化。越来越多的研究表明,生物钟与心血管的生理功能密切相关,比如基础血压和心率的日周期变化主要受控于生物钟而非行为。此外,心肌细胞的代谢、血管内皮的功能,以及血管的收缩和舒张均受到生物钟的调节。不仅如此,许多心血管事件的发生,如心肌梗死的发生也具有明显的昼夜节律特征。基于动物模型的研究显示,昼夜节律紊乱是心血管事件发生的重要风险因素之一。本文综述了有关生物钟与心血管疾病联系的最新研究进展,希望有助于根据生物钟理论优化心血管疾病治疗策略。     

哺乳动物生物钟与能量代谢的相关研究进展

生物钟广泛存在于各种生物体中,是生命体的一种内源调节机制。哺乳动物生物钟系统与机体营养代谢和能量平衡有着密切的关系。概述了生物钟系统通过营养途径、限速酶途径、核受体途径对哺乳动物机体代谢活动和能量平衡的调控,以及哺乳动物代谢稳态对生物钟系统的影响,从而为从生物钟调控的角度治疗和防控代谢综合征提供新的思路。     

动物内源褪黑素调控生物节律的研究进展

内源褪黑素对人类和其他哺乳动物的节律行为具有调控功能。生物节律是自然进化赋予生命的基本特征之一,生物体的生命活动受到生物节律的控制与影响。在哺乳动物中,节律调控中心是松果体,其主要功能是合成和分泌褪黑素。褪黑素广泛参与生物体节律行为的调节,本文从褪黑素的产生和作用机制,分别阐述褪黑素对昼夜节律行为和多种年节律行为的调控作用,同时明确褪黑素与生物钟及神经内分泌系统的直接作用和反馈互动的复杂集合,进一步揭示褪黑素调控生物节律的重要作用,以期为褪黑素的基础研究以及未来探究生物体的生物钟内源性发生机制提供参考。     

生物钟基因介导卵巢功能调控的分子机制研究

地球的自转产生了以24 h为周期的昼夜节律,因此生物的生理过程和行为活动大都呈现一个近似24 h的周期节律改变,以适应环境的不断变化。昼夜节律在整体水平是一个系统性的调控,它的产生、维持和调控依赖于细胞内生物钟基因的震荡型转录翻译负反馈环路。研究表明,生物钟在卵巢动情周期和生殖系统发育过程中发挥重要作用。本篇综述主要阐述了自卵巢生物钟发现后的种种研究成果,包括卵巢生物钟对类固醇激素生成及排卵的影响,生物钟基因对生育能力的影响,以及生物钟调控与女性生殖系统疾病的相关性。     

水稻生物钟相关基因的表达特征鉴定及其功能预测分析

水稻作为我国重要农作物,其营养生长和生殖发育过程都受到严格的生物钟的控制,因此,生物钟基因的表达变化也是决定水稻产量和种子质量的主要决定因素之一。为了更全面系统的了解生物钟基因在水稻生长和发育过程中的功能,本研究采用生物信息学共表达方法,筛选和鉴定水稻和拟南芥中生物钟基因,并对比分析了这些生物钟基因在单双子叶模式植物中的可能功能。从水稻表达谱公共数据库中筛选与生物钟基因表达密切相关732个基因,并对筛选出的水稻生物钟相关基因进行表达特性、节律性、生物功能预测及其与拟南芥的对比分析,结果表明水稻和拟南芥的生物钟基因可能都具有在生物钟核心振荡器部分功能相对保守的特点。功能预测分析也还表明水稻生物钟基因参与了8类生物学过程,尤其在应激反应和代谢过程的方面具有明显富集性,从而间接佐证了水稻对于外界环境的响应及其代谢过程具有严格时间调控的分子机理。     

生物钟基因与脂质代谢紊乱

生物钟是生物适应环境节律变化形成的特殊生理机制,具有一定的节律性。生物钟基因被证实参与调节多种生物生理活动,如生物的各种代谢活动、细胞的凋亡与坏死、肿瘤的发生与发展和炎症反应等。其中,脂质代谢作为一项重要的代谢活动,其紊乱可能诱发高血脂症、动脉粥样硬化等疾病。脂质代谢的调节受生物钟相关基因的调节。本文就有关生物钟的生理机制及生物钟基因参与脂质代谢调节的研究进行综述。     

哺乳动物卵巢生物钟的研究进展

近年来,越来越多的研究发现生物钟系统在许多生理活动中,包括心血管、内分泌、免疫、生殖等系统的生理,都起着重要作用。随着2006年卵巢生物钟的发现,生殖系统生物钟成为新的研究热点。研究发现卵巢生物钟不仅影响排卵,而且还控制类固醇激素的释放。卵巢生物钟属外围生物钟,受到中央生物钟(SCN)神经内分泌信号的调控。还发现下丘脑-垂体-卵巢(HPG)轴上各水平都存在生物钟,HPG轴上各生物钟失同步影响生殖能力,这可能导致一些疾病发生的病因。本文总结近十年的关于卵巢生物钟的研究,列举哺乳动物卵巢生物钟存在的证据,并阐述生物钟在雌鼠正常生殖生理过程,及在生殖系统疾病病理过程中的作用及其分子机制。     

生物节律影响巨核细胞发育和血小板产生的研究进展

自然界中生物体的生命活动、生活习性都存在着一定的周期性变化。生物昼夜节律的产生是以内源性的生物钟系统为基础的。生物钟不仅易受到外界环境的影响,而且可以通过调控一系列特定的下游基因的表达,影响生物体的生理生化过程。巨核细胞是生成血小板的前体细胞,经过分化、增殖、成熟和裂解,最终生成血小板。血小板是一种没有细胞核的特殊细胞,在生理性止血和器官修复上发挥着重要作用,同时参与血栓等多种疾病的发生。近几年借助现代分子生物学和细胞生物学手段,证实了哺乳动物的巨核细胞和血小板的生成呈现明显的周期性的变化,利用生物钟基因缺失模型进一步发现了生物钟基因对巨核细胞和血小板的影响。本文概述了生物节律对巨核细胞和血小板的影响,为进一步研究巨核细胞的发育和血小板生成机制提供了参考。     

生物节律影响巨核细胞发育和血小板产生的研究进展

自然界中生物体的生命活动、生活习性都存在着一定的周期性变化。生物昼夜节律的产生是以内源性的生物钟系统为基础的。生物钟不仅易受到外界环境的影响,而且可以通过调控一系列特定的下游基因的表达,影响生物体的生理生化过程。巨核细胞是生成血小板的前体细胞,经过分化、增殖、成熟和裂解,最终生成血小板。血小板是一种没有细胞核的特殊细胞,在生理性止血和器官修复上发挥着重要作用,同时参与血栓等多种疾病的发生。近几年借助现代分子生物学和细胞生物学手段。证实了哺乳动物的巨核细胞和血小板的生成呈现明显的周期性的变化,利用生物钟基因缺失模型进一步发现了生物钟基因对巨核细胞和血小板的影响。本文概述了生物节律对巨核细胞和血小板的影响,为进一步研究巨核细胞的发育和血小板生成机制提供了参考。     

昆虫生物钟分子调控研究进展

昆虫生物钟节律的研究是人类了解生物节律的重要途径。昆虫在生理和行为上具有广泛的节律活动,如运动、睡眠、学习记忆、交配、嗅觉等节律活动,其中昼夜活动行为节律的研究广泛而深入。昆虫乃至高等动物普遍具有保守的昼夜节律系统,昼夜生物钟节律主要包括输入系统:用于接受外界光和温度等环境信号并传入核心振荡器,使得生物时钟与环境同步;核心时钟系统:自我维持的昼夜振荡器;输出系统:将生物钟产生的信号传递出去而控制生物行为和生理的节律变化。早期分子和遗传学研究主要关注昼夜节律振荡器的分子机制及神经生物学,阐明了昼夜生物钟节律的主要分子机制及相关神经网络。最近更多的研究关注生物钟信号是如何输入和输出。本文以果蝇运动节律的相关研究为主要内容,围绕生物钟输入系统、振荡器、输出系统这3个组成部分对昆虫生物钟研究进展进行总结。     

环境化学物对精母细胞的损伤及其分子机制研究进展

研究表明,许多环境化学物可影响男性精子质量和生殖能力。精母细胞是男性生殖系统中的重要组成细胞,承担着减数分裂等重要任务,具有高度复杂的基因调控网络及表观遗传修饰稳态,可能是环境化学物影响精子质量重要的作用靶点。环境化学物不仅可干扰基因调控网络使精母细胞损伤或减数分裂异常,还可能影响精子中重要蛋白的形成,导致精子质量下降。该文聚焦环境化学物损伤精母细胞及其分子机制的国内外进展,以期为探明精子异常及男性不育的分子机制、降低环境化学物的生殖危害、促进男性生殖健康提供线索。     

植物烯醇化酶基因ENO2的功能研究进展

烯醇化酶ENO2是糖酵解过程中的一个限速酶,广泛存在于动植物体中。近年来,发现ENO2除了参与糖酵解途径以外,还具有多种其他功能。在植物体中,ENO2能够影响植物的生长和生殖发育、应答非生物胁迫,并且具有转录调控功能。尤其是,该基因能够进行选择性翻译产生ENO2和MBP-1两种蛋白。因此,本文详细阐述了植物ENO2基因的多样化功能及相关研究进展,并指出了未来研究的重点和方向,以期为相关领域的科研人员提供借鉴和参考。     

进食行为调控外周生物钟节律的研究进展

哺乳动物的生物钟包括位于下丘脑视交叉神经上核中的中枢生物钟(central clock)以及外周组织生物钟(peripheral clock)。节律正常时,由中枢时钟决定的外周生物钟同时具有一定程度的独立性。食物牵引实验(food entrainment)证明改变进食时间(白天给食)可以完全逆转外周组织的节律,因此,对于外周组织,进食是一个重要的授时因子(synchronizer)。目前已报道多种进食相关信号调控外周生物钟基因的表达及节律。现就进食行为影响外周生物钟等方面的研究进行综述。     

本期重点推介

正生物的行为节律受生物钟基因的调控。在生物钟反馈回路中,生物钟基因per和tim作为核心激活因子具有极其重要的作用。梨小食心虫Grapholita molesta是一种世界性果树害虫。为了进一步明确生物钟基因对鳞翅目害虫羽化节律的调控作用及为开发基于发育行为节律调控的梨小食心虫防控方法提供新线索,中国农业大学昆虫学系方海波和李贞等在克隆获得梨小食心虫per和tim基因(Gmper和Gmtim)     

鳞翅目昆虫昼夜节律的授时机制研究进展

鳞翅目昆虫生物钟环路的核心成员,在蛋白质分子进化和相互作用网络等方面,与哺乳类,甚至与果蝇等经典模式昆虫有较大差异。总结了昼夜节律对鳞翅目昆虫孵化与进食、生长与变态、生殖与滞育、呼叫与迁徙等生理行为的影响,以及核心钟基因Cry、Per和Tim等的研究进展,分析了鳞翅目昆虫生物钟负反馈环路与哺乳动物和果蝇的差异,介绍了鳞翅目昆虫作为温度授时的生物钟负反馈环路研究和外周生物钟分子机制研究等方面的材料优势。     

哺乳动物昼夜节律生物钟研究进展

昼夜节律生物钟是一种以近似24小时为周期的自主维持的振荡器,在分子水平上,该振荡器是一个由9个基因组成的转录翻译反馈环路系统。它能受外界环境影响重新设置节律,使自身机体活动处于最佳状态。除了进行自我调节外,生物钟基因还能通过调节代谢途径中特定基因表达而影响机体生理生化过程。在过去的几年里,借用遗传学和分子生物学工具,我们对哺乳动物昼夜节律生物钟的分子基础有了新的认识,本文综述了这一进展,并展望了它们在研究人的昼夜节律行为异常领域的前景。     

蓝藻生物节律性分子调控机制的研究进展

生物钟现象是一种普遍存在于生物界细胞的内源节律性保持机制。生物钟机制的存在可以使生物体的代谢行为产生并维持以24 h为周期的昼夜节律,从而更好地适应于地球自转所产生的环境条件昼夜间节律性变化。蓝藻是目前生物钟分子机制研究中的模式生物,其依赖于k ai基因家族成员的核心生物钟调控模式已经被众多研究者详细阐明。蓝藻生物钟的核心振荡器是由蓝藻k aiA/B/C的编码产物来调控的,Kai蛋白的表达模式具有节律性。KaiC蛋白磷酸化状态的节律性循环及输入、输出途径相关组成蛋白的翻译后修饰状态节律性循环共同组成其反馈回路,负责维持生物钟节律性振荡的持续进行并与环境周期保持同步。传统的蓝藻生物钟分子机制模型认为,节律性表达基因翻译产物的转录/翻译负反馈抑制环是生物节律性维持和输出的关键。遗憾的是,在其它物种生物钟分子机制研究中未发现由kai基因家族成员同源基因组成的节律性标签,这表明以k aiA/B/C为核心振荡器的生物钟系统并不是一种跨物种保守的生物钟系统。近期,人们发现非转录/翻译依赖的振荡器(NTO)也具有成为生物节律性产生和维持的“源动力”的可能。过氧化物氧化还原酶(PRX)氧化还原状态节律性是第一种被报道的跨物种保守的NTO节律性标签,这也日渐成为蓝藻生物钟分子机制研究新的热点。