科学家惊讶地发现1种蛋白质与“倒时差”有关

科学家们早就知道，大多数生物都有一个昼夜节律“时钟”，这是一组以24小时为周期运行的生物节律，影响着警觉性、嗜睡、食欲和体温，以及其他周期性行为。

扰乱这一系统——例如，通过轮班工作或跨越多个时间和光线区域的长途旅行——可能会产生严重的后果。先前的研究将昼夜节律的持续紊乱与癌症、抑郁症和许多其他医学问题的风险增加联系起来。

昼夜节律系统基本上是通过暴露在光线下来“训练”的。尽管在过去的几十年里，研究人员在概述昼夜节律的机制方面取得了重大进展，但大脑是如何与昼夜节律联系在一起的仍不清楚。

为了了解更多，约翰霍普金斯大学神经科学系教授、基础生物医学科学研究所副主任Alex Kolodkin博士和美国国家心理健康研究所光和昼夜节律部门的负责人Samer Hattar博士以及该研究的第一作者John Hunyara和Kat Daly以及他们的同事，在一个数据库中搜索了小鼠大脑昼夜节律控制中心——视交叉上核(SCN)发育过程中出现的生物分子。

SCN位于小鼠和人类大脑的下丘脑深处，位于控制视觉的区域附近，并与通往视网膜的脑细胞连接，视网膜是眼睛的感光部分。

研究小组很快将注意力集中在一种叫做teneurin-3 (Tenm3)的细胞表面蛋白质上，teneurin-3是一个更大的蛋白质家族的一部分，在视觉系统回路组装中起着关键作用，更广泛地说，在其他中枢神经系统回路中起着关键作用。

当研究人员对小鼠进行基因改造以阻止Tenm3的产生时，与具有完整Tenm3的动物相比，这些动物的视网膜和SCN之间的连接更少。然而，缺乏Tenm3的小鼠在SCN核心和外壳细胞之间发展出更多的连通性，Tenm3倾向于定位。

为了了解Tenm3如何稳定昼夜节律或使其受到哪怕一点点光的干扰，科学家们设计了一组实验。

首先，他们训练缺乏Tenm3的小鼠进行12小时的明暗循环，然后将黑暗周期提前6小时。根据正常睡眠周期的活动模式诊断，Tenm3完好无损的小鼠花了大约四天的时间来调整昼夜节律以适应这种变化。然而，没有Tenm3的动物适应的速度要快得多，大约只用了一半的时间。

当研究人员用两倍于先前测试的光线进行类似的实验时，Tenm3完好无损的小鼠花了大约8天的时间来调整它们的昼夜节律周期，而没有Tenm3的小鼠只花了大约4天。

即使只有15分钟的微弱光线脉冲，也会触发缺乏Tenm3蛋白的小鼠(而不是具有正常Tenm3蛋白的小鼠)产生一种大脑化学物质，这种化学物质可以代替光照，这表明对光线信号的高度敏感性是设置或重置生物钟所必需的。

这些发现向作者表明，即使光照变化，Tenm3也能帮助大脑保持稳定的昼夜节律。通过更多地了解这个系统和Tenm3的作用，研究人员最终可能能够诊断和治疗导致人们失眠和其他睡眠障碍的小故障，或者可能开发出治疗时差反应的方法。

“如果昼夜节律根据光照的每一次快速变化进行调整，比如日食或非常黑暗的雨天，那么它们在调节睡眠和饥饿等周期性行为方面就不会非常有效。我们发现的这种蛋白质有助于在神经发育过程中连接大脑，以便每天对昼夜节律的挑战做出稳定的反应，”Kolodkin博士说。“这对人类健康有非常明显的影响。”