吴军 姜苏蓉

哺乳动物的许多生理活动具有昼夜节律性，比如睡眠-觉醒、血压、血液激素水平以及能量代谢等都呈现出以24 h为周期的波动，这种周期性的节律称为生物钟节律。机体内在的生物节律是由生物钟(circadian clock)周期振荡所产生的。哺乳动物的生物钟可分为中枢性和外周性两大类，中枢性生物钟位于下丘脑视交叉上核神经元(suprachiasmaticnucleus，SCN)内，它接受光线刺激并产生主要的时钟信号，通过体液和神经内分泌通路传递到外周组织。中枢性生物钟控制机体的行为和生理节律，包括运动、睡眠、体温、血压和内分泌等过程，SCN切除后生理的昼夜节律消失。外周生物钟存在于除了SCN以外的多数组织，如心脏、肝脏、肾脏、外周血淋巴细胞等［1］。通常情况下，这两大类生物钟的运作是同步的，二者通过自主神经系统和内分泌激素(如褪黑素和5-羟色胺)作用等得以实现信号的准确传递和节律的精细调节，维持机体良好的生理状态。研究表明，生物钟与衰老关系密切。随着机体的逐渐衰老，各种器官和组织发生变化，年老的动物更容易患一系列的疾病，如冠心病、高血压、糖尿病、慢性肾病、肿瘤、骨质疏松、骨关节炎等。生物钟功能的紊乱会严重影响机体的生理和行为节律，导致内分泌失调、免疫力下降等相关症状，并使机体更易患上上述疾病，加速衰老进程［2］。

1 生物钟运行机制

若干基因组成了生物钟分子振荡器的基本元件，对其最初的探索始于模式生物拟南芥、链孢霉菌属、果蝇和小鼠等，这些能主导、输出机体节律振荡的基因被称为钟基因(clock genes)，其发生缺陷或突变可使生理节律出现异常或丧失。哺乳动物的不同组织和细胞中大多存在钟基因的表达，任何一个启动或参与体内昼夜节律调节的基因，已被证明至少能在SCN中表达。目前已发现的哺乳动物钟基因包括 Clock、Bmal1、Per、Cry、casein kinases Ieε (CKIε)、timeless(Tim)、frequency(Frq)等［3］。钟基因启动后，经转录、翻译生成相应的蛋白质，当此蛋白质达到一定浓度，反馈作用于自身基因的启动部位，抑制该基因的表达，使其浓度高低以24 h周期进行振荡。在分子水平上，不同组织中生物钟的振荡在基因转录水平上具有类似的调节机制［4-5］。生物钟的核心调节元件主要由转录激活子和抑制子组装形成的自动调节环，使基因产生节律性的表达。Clock基因是哺乳动物昼夜节律的必要调控者，Bmal1是Clock基因的分子伴侣，二者互相作用，形成异二聚体，然后结合到 Period(Per1，Per2，Per3)、Cryptochrome(Cry1和 Cry2)、孤儿核受体(Rev-erbα)启动子的E-box区从而激活它们的表达。Per和Cry蛋白的富集后，又会抑制Bmal1/Clock的活性，从而抑制其自身和 Rev-erbα的表达，当 Reverbα表达明显下降或缺失后又会重新激活Clock与Bmal1，使其再次形成转录复合物，形成一种负反馈循环 (图1)。这种负反馈调节机制在Bmal1和Clock调节的基因周期性活化上扮演了重要的角色。

图1 生物钟负反馈调控机制［6］

2 生物钟对衰老的影响

2.1 随着机体衰老，反应生物钟输出信号的生理昼夜节律在振荡幅度、振荡周期和表达时相等方面发生了相应的变化。同时，生物钟控制的生理昼夜节律功能紊乱加速机体衰老的进程。

Bmal1基因是最重要的生物钟基因之一，其蛋白产物具有碱性螺旋-环-螺旋结构(base helix-loop-helix，bHLH)域和PAS(PER-ASNT-SIM)结构域，分子伴侣蛋白为Clock蛋白。在哺乳动物生物钟的转录-翻译反馈环中，转录因子 Bmal1是最重要的启动因子。另外，Bmal1也可以与Npas2形成异源二聚体，在端脑部位起到调控节律基因的作用。在视上核的神经元中，Bmal1基因在白昼开始时表达水平增高，而在夜晚时表达水平低，表现出昼夜节律。Bmal1基因与衰老有密切的联系。Bmal1基因敲除鼠在16～18周龄时就出现生长发育迟缓、体质量下降等表现，至52周龄时体质量是同窝野生型的一半，出现皮下脂肪减少、肌肉重量减轻、骨质疏松及主要器官的萎缩等衰老和早衰的表现［7］，Bmal1-/-小鼠的一系列早衰表现提示Bmal1基因可调控衰老的进程。衰老的机制非常复杂，不是单一的学说可以完全解释的。自由基学说是关于生物衰老机制的现代理论中最具有说服力的一种，组织中高浓度的自由基及其衍生物对生物大分子有损伤效应，这种氧化损伤会引起或加速机体衰老。实验证明，40周龄的Bmal1突变小鼠在肝、心、肾中活性氧的浓度远高于野生型小，Bmal1基因可能是通过阻止自由基及其衍生物在身体组织中的积聚而延缓衰老，也有可能是生物钟系统本身具有使自由基在体内维持平衡的功能［8］。

2.2 Clock基因是另一个重要的生物钟基因，当该基因发生突变或表达异常时会导致机体行为活动节律、睡眠-觉醒节律及体温、血压等发生紊乱，诱发心血管疾病、糖尿病、肿瘤等，加速机体衰老。Wang等［9］在光照 ∶黑暗(12 h ∶12 h)和持续黑暗条件下发现大鼠松果体中的Clock转录表现出节律性振荡，峰值出现于夜晚或主观黑夜，谷值位于光照期或主观白天。Du等［10］报道大鼠外周血淋巴细胞中Clock基因具有明显的昼夜节律性转录特征。Clock基因也可以控制机体食欲，影响能量和代谢平衡，研究表明，Clock纯合的突变小鼠进食过量，身体肥胖，表现出高血脂、高血糖、肝脂肪变性、低胰岛素血症等代谢综合症的特征，提示Clock基因与早衰有关。此外，Clock基因还可以调控新陈代谢相关的酶，如肝脏内酰基辅酶A合酶、乙酰辅酶A羧化酶、ATP-柠檬酸裂解酶等，影响其昼夜节律表达［11］。年老的小鼠和仓鼠脑部SCN和非SCN区域的Clock mRNA表达水平是降低的。Clock基因敲除小鼠的平均寿命较野生型下降15%，最高达20%，且白内障和皮肤炎发生率明显高于野生型小鼠［12］。

3 衰老对生物钟的影响

3.1 衰老又称老化，通常指生物体性成熟后开始或加速的，生物体各种功能的普遍衰弱，以及抵抗环境伤害和恢复体内平衡能力的降低，具有普遍性、累积性、渐进性、内生性等特点的基本生命过程。衰老是生命的基本现象，是所有生物的共同特征。生物体的分子水平、细胞水平、组织水平、个体水平、群体水平均可发生衰老。某些异常因素或疾病可引起病理性衰老，使衰老提早出现。由于衰老进程非常复杂，影响因素千变万化，涉及诸多领域，现代生命科学有关衰老机制的研究也逐步深入，提出了许多有关衰老的学说，如自然演进衰老学说(程控学说)、代谢速率衰老学说、自由基学说、非酶糖基化衰老学说等等。

3.2 随着衰老的发生和进展，哺乳动物出现了新陈代谢减退、免疫力下降、器官萎缩等，此外，运动和生理节律(包括体温、睡眠-觉醒、血压、激素水平等)振荡幅度、振荡周期和表达时相等方面也发生了不同程度的改变。在人类中，衰老与褪黑激素分泌、体温节律相位前移有关［13］。与年轻人相比，老年人更易出现睡眠-觉醒的相位前移［14］。许多研究提示衰老与SCN可以相互影响。衰老与SCN的神经化学和电生理的变化是同步的，但SCN的细胞数量和大小并没有发生改变［15］。衰老可使SCN中血管活性肠多肽(VIP)、精氨酸加压素(AVP)、转录生长因子(TGF-β)数量和运转周期发生改变。将大鼠胚胎SCN组织移植入雌性中年大鼠，雌性中年大鼠SCN恢复昼夜振荡能力［16］。以上研究提示，衰老对SCN产生了明显的影响。

总而言之，随着现代生命科学的发展，人们对生物钟节律的调控及与衰老的关系将更加清晰。生物钟功能紊乱会导致机体昼夜节律失常、生理生化代谢失调，引起早衰和衰老。另一方面，衰老也会引起SCN和外周组织节律的振荡幅度、相位、周期发生变化，导致组织和器官出现多种病理变化。人类今后或许能够通过调整自己的生物钟来防止衰老以及治疗与衰老相关的病变。但生物钟和衰老互相作用机制复杂，二者关系尚未阐明，还有待进一步探讨和研究。

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