撰文 | 小陈责编 | 雪月
近日，由德州大学西南医学中心（UT Southwestern Medical Center）研究人员主导的两项最新研究，概述了单个细胞如何通过遗传和随机方式维持其内部时钟，表明细胞节律受遗传和非遗传成分的指导。有助于解释生物体生物钟如何保持灵活性，并提出了关于衰老和癌症的新见解。
其中，一篇文章名为Noise-driven cellular heterogeneity in circadian periodicity，5月1日在PNAS上在线发布；另一篇文章为Epigenetic inheritance of circadian period in clonal cells，5月27日在eLife上在线发布。
生物在整个生命周期中都有其内部时钟（周期长达一天），这些时钟控制着睡眠、进食、免疫反应等行为。从生物体中分离的单个细胞也有自己的时钟，但其周期可能会发生很大变化，例如延长或缩短几个小时。德州大学西南医学中心神经科学系的主任Joseph S. Takahashi曾表示，同一生物个体的这些细胞的遗传基因是相同的，也正因此，尚不清楚他们如何维持不同的内部节律长度。
为研究这个问题，Takahashi和他团队的研究人员处理了经过基因改造的小鼠细胞，使得每当一个关于昼夜节律时钟的基因Per2表达时，细胞就会发光。通过该工具，研究人员观察到周期从较短的21.5小时，到最长可接近28小时。
研究人员分离了周期为21.5小时的短周期细胞，和周期为28小时的长周期细胞，并在培养皿中克隆培养，发现这些细胞可以继续维持其周期。即使经过数月的多次细胞分裂，短周期和长周期细胞仍保持其周期长度。这表明细胞的周期长度具有可遗传性。
当研究人员比较短周期和长周期两组细胞之间的基因表达时，发现了成千上万个活跃的基因。在这些基因中，许多似乎在大规模的网络中协同工作，且与应激反应信号传导途径和代谢途径相关。这同时也强调了信号传导途径和代谢途径在昼夜节律周期中的重要性。
研究人员继续研究了导致短周期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，表示其取决于DNA甲基化，而非DNA序列的差异。当改变这些化学修饰时，细胞的昼夜周期长度就会发生改变。
为寻找关于细胞周期的其他因素，研究人员核查了短周期组和长周期组中昼夜节律周期的确切长度。他们发现，长周期组周期时间变化最大。进一步的测试表明，该差异是由基因活性的随机波动引起的。细胞表现出的这种非遗传性波动越多，它们的平均周期就越长。当研究人员给细胞注入增加基因活性波动的药物时，它的昼夜节律周期平均增加了约1.5小时。
这些结果共同表明，细胞的昼夜节律受遗传和非遗传因素的共同调控。更全面地了解这些机制，有助于提出关于昼夜节律功能下降的自然过程和人类健康问题的一些新见解，例如衰老和癌症。也可以帮助研究人员更好地了解生物体在生物钟紧张的情况（例如时差）下，如何保持灵活性。
Takahashi也表示，如果我们体内的每个细胞都以相同的方式振荡，那我们的身体将像一个巨大的钟一样，僵硬且无法适应诸多变化的环境。细胞群体的可变性使其更具灵活性，同时也提高了生物体的适应力。
相关链接：
https://www.utsouthwestern.edu/newsroom/articles/year-/understanding-the-circadian-clocks-of-individual-cells.html
/content/117/19/10350
/articles/54186
