迈克尔·罗斯巴什

在得知自己获得了2017年度诺贝尔生理学或医学奖时，迈克尔·罗斯巴什是从熟睡中被唤醒的。他对此感到非常意外，“不得不承认，我想都没想过，完全没有想到”。

迈克尔·罗斯巴什1944年出生于美国密苏里州堪萨斯市，毕业于麻省理工学院，在那里取得了博士学位。获奖时，他任职于马萨诸塞州沃尔瑟姆市的布兰迪斯大学和霍华德·休斯医学院，是美国国家科学院院士、生物学教授、霍华德·休斯医学院研究员。他的研究领域是昼夜节律、行为及基因表现，并发现了控制昼夜节律的分子机制。

30多年前，邁克尔·罗斯巴什开始了对黑腹果蝇昼夜节律的研究。这项研究是在他的实验室团队以及他的同事、布兰迪斯大学的杰弗里·霍尔的编译/ 朱林爽迈克尔·罗斯巴什实验室团队合作下展开的。他们当时制定的短期目标是克隆周期轨迹，长期目标则是确定普遍存在的昼夜节律所依赖的机制。他们首先从黑腹果蝇的周期基因（per）入手，因为在此之前10多年，罗纳德·科诺普卡和西摩·本泽尔在他们开创性的行为遗传学实验中发现了这种基因。1984年，他们在

克隆和基因拯救方面的研究成果得到发表，但直到1990年，他们才对昼夜节律的机制有了一些理解。

保罗·哈丁在罗斯巴什的实验室做博士后研究，他发现per基因的信使核糖核酸（mRNA）及其编码蛋白（PER）在昼夜循环周期中会经历一定程度的波动。这一发现表明PER蛋白对基因表达的负反馈回路十分重要，也表明per基因自身的转录受到影响。由于PER蛋白处于核心，研究者认为PER能够直接抑制自身mRNA的转录，而在转录过程中暂时性抑制反馈回路是哺乳动物、植物、脉孢菌甚至蓝藻菌的公认特性。此外，PER蛋白以及过去很多年间基因定义的许多其他生物钟因子现大都得以保存下来，并且在哺乳动物的生物钟中发挥类似的功能。这表明，果蝇的生物钟机制及原理广泛存在于动物世界。

尽管转录因子和转录调控在昼夜节律中起着十分关键的作用，但是转录后调控也得到了研究者的格外重视，这是由于激酶突变体能够对果蝇和哺乳动物生物钟产生有效的影响。同时，对蓝绿细菌昼夜节律系统的研究也取得了显著成就。另外，近期的研究结果显示，哺乳动物具有一种昼夜节律钟，能够在不发生转录和转译的情况下发挥作用。尽管如此，罗斯巴什及其同事在短期

目标（如上文所述）上取得的研究结果仍然验证了转录调控的重要性。例如，只有为数不多的果蝇基因在数量上受到控制时，才能够对昼夜节律产生影响，而且这些影响昼夜节律的基因都是转录因子。

罗斯巴什团队对昼夜节律的研究有三个主要目标：①发现果蝇昼夜节律发生的具体机理;②找到昼夜节律基因表达调控的发生规律;③了解果蝇大脑中与昼夜节律相关的神经回路及个体昼夜节律神经元的功能。此外，他们的研究还包括一些昼夜节律之外的工作，更多地关注基因表达调控的基本问题。

他们使用各种生物化学和遗传学方法，深入剖析影响生物钟的转录及转录后的调控机制，目的是寻找新的生物钟基因，同时发现其他调节机制。他们的昼夜节律实验结果显示，Clk与per能够与大量潜在的直接目标基因进行周期性结合。其中一些基因编码成蛋白，很可能有助于转录的调控作用;还有一些基因在昼夜节律的转录后调控中能够发挥潜在的作用。这说明，核心转录反馈回路可能位于某些转录后调控模式的上游。对于发现的大量直接目标基因的一种有趣解释是，

用于各种实验的果蝇头部组织具有异质性。事实上，罗斯巴什团队已经找到一些证据，表明昼夜节律机制可以在不同的细胞中获取不同的直接目标基因，并且在不同的位置使用不同的转录起始位点。

此外，罗斯巴什团队使用了高通量测序技术来解决有关昼夜节律的新问题和老问题。例如，对于果蝇头部mRNA的昼夜节律振荡范围有多大这一问题，许多实验室都是通过基因芯片阵列来探讨的，而罗斯巴什团队使用高通量测序技术来估测mRNA 的循环周期。此外，这项技术还可对RNA周期与新生RNA 周期进行比较，从而用于解决基因从本源上进行转录的实际量问题。在这一研究中，他们还发现果蝇头部拥有产生昼夜节律振荡的微分子核糖核酸（miRNA），而且有些miRNA的循环振幅十分显著。这表明，miRNA的半衰期一定很短。这一发现对于新陈代谢或miRNA的研究很有启发。之前科学界普遍认为新陈代谢和miRNA通常都非常稳定，但对于它们是如何衰退的，现在仍不得而知。这一发现还表明，转译调控对昼夜节律非常重要。事实上，最新研究结果表明，大量的miRNA调控着重要的昼夜节律转录因子Clk的转译过程，并且会以昼夜节律的方式对特定生理目标基因的转译产生影响。整体来说，转译节律调控是一个新兴的研究领域。

在过去几年中，罗斯巴什的实验室还对果蝇昼夜节律的各种脑神经元进行了研究。从解剖学上讲，脑神经元可分为7种独特的神经元组，在成年果蝇大脑的每侧总共有约75个细胞。这些细胞表现为高层次的生物钟基因，通常能够使生物钟基因mRNA和蛋白产生强烈的昼夜节律同步振荡。小型腹侧神经元控制昆虫活动模式的上午活动峰值，另一个神经元组控制着夜间活动峰值。此外，控制上午活动峰值的神经元组在持续的黑暗中能够发挥主要作用。那么，这些昼夜节律神经

元之间是如何相互作用的？基因表达机制和神经元放电之间存在着什么样的关系？罗斯巴什的团队对这些问题充满了兴趣，并打算进行深入研究，以提出一个更为科学的解释。尽管核心生物钟基因大量存在于所有大脑昼夜节律神经元中，但许多mRNA似乎以昼夜节律神经元的特异性方式存在。如上所述，这种差异可能与神经元亚组的特别功能有关。在专门神经元子集中表现的mRNA在

不影响其他神经元的情况下，也能够调控特有的昼夜节律神经元。因此，罗斯巴什的团队打算将对神经元的研究扩展到果蝇大脑的其他神经元组织和高通量测序分析中。

另一个相关的关注点是基因表达是如何对各种环境刺激做出反应的，目前最热门的研究是光照环境。在昼夜循环和相位复位中，光起着重要而且普遍的作用。此外，光对不同的神经元子集似乎也有不同的影响，例如，有的节律神经元组的光感直接反应在光线打开时（黎明），而有的神经元组的光感反应在光线关闭时（黄昏）。有趣的是，黎明神经元细胞是唤醒细胞，而黄昏神经元细胞能够促进睡眠，这就是动物昼出夜伏的原因。

睡眠是罗斯巴什团队的另一个研究领域，他们正试图找出对睡眠有重大影响的其他脑神经元。目前的研究成果主要在昼夜节律网络之外。他们将这些不同的与睡眠相关的神经元组和不同的体内方法相结合，以此调节神经元的功能，试图深入了解睡眠调节机制的路径和规律。

最后，罗斯巴什团队使用高通量测序技术解决剪接和转录后的调控问题。他们通过对果蝇组织培养细胞的新生RNA进行排序，试图从基因组层面测量发生新生剪接的情况。这一研究目前仍然处于描述性分析阶段，但罗斯巴什希望很快能进入解决机制性问题的阶段。比如，剪接的昼夜节律调控是如何发生的？这些剪接事件对核心昼夜节律起作用吗？在昼夜节律控制下，还有其他转录后的调控方式吗？

现在，人们对生物钟早已习以为常，习惯了白天与黑夜交替，这实际上是对环境影响的原始适应。罗斯巴什说：“我们之前都没有把行为和基因放在一起考虑。大家知道，所有人都没有这样做……研究工作需要一种工匠精神，我们只比别人往前多走了一步。我们做了很多实验，也失败过很多次，但事后看来，这其中包含许多真理。”