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昼夜节律钟的死区

大多数生物都有生物钟。在哺乳动物中,昼夜节律起搏器位于脑的视交叉上核(SCN)中。SCN由大约20,000个神经元组成,并且可以在每个神经元中独立地观察到具有大约24小时周期的振荡基因表达。基因表达的这些细胞自主振荡受到生物钟基因的延迟负反馈调节的控制,并且作为生物钟用于调节生物的行为和生理节律。

昼夜节律钟的一个重要特性是对光信号的响应,使生物体能够被夹带在地球上的24小时光暗周期中。已经表明,昼夜节律钟在夜间响应光信号,而它们在白天不响应这些信号。即使生物体处于完全黑暗中也是如此;当个人的身体时间在白天时,短的光脉冲不会改变生物钟的时间。生物钟对光信号不敏感的时间段称为“死区”。以前的研究表明死区的存在改善了时钟的稳健性。然而,其产生的机制尚不清楚。

金泽大学的研究人员使用数学建模和计算机模拟来阐明死区生成的机制。不同的物种具有不同的光响应机制。例如,在果蝇果蝇的生物钟系统中,光信号诱导昼夜节律抑制蛋白TIMELESS的降解。相反,在哺乳动物中,光信号被眼睛感知并诱导SCN内的生物钟基因Period的表达。这些差异促使金泽大学的研究人员质疑这两个物种的死区生成机制是共同的还是不同的。

为了解决这个问题,研究人员利用了一种称为古德温模型的数学模型。该模型用于通过考虑mRNA和蛋白质的浓度作为变量来描述生物钟系统中的负反馈回路。数值模拟表明,Timeless mRNA的转录饱和诱导果蝇生物钟中白天死区的产生。在哺乳动物的生物钟中,PERIOD蛋白的翻译饱和而不是转录产生死区。计算机模拟表明,这些反应的饱和仅在白天使光信号的影响无效。从而,

死区被认为对于将昼夜节律钟强烈夹带到明暗周期非常重要。本研究表明,原则上,即使是单个神经元也可以实现死区。这一发现表明,昼夜节律钟的基本特性是在单细胞水平上确定的。

将生物钟夹带到光暗周期是人类健康的基础。例如,身体内的时钟时间与本地时间之间的不匹配会导致时差。因此,研究生物钟对光信号的响应对于理解地球上最常见的生物钟之一是必不可少的,这可能具有医疗用途。

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