PLoS Comput Biol：人体生物钟在较高温下通过扭曲基因活动来保持24小时的节律

在一项新的研究中，日本理化学研究所跨学科数物科学中心的Gen Kurosawa领导的一个研究团队利用理论物理学，揭示了人类生物钟如何在温度变化时仍能维持一致的24小时周期。相关研究结果发表在《PLOS Computational Biology》杂志上。

他们发现，这种稳定性是通过在较高温度下基因活动节律“形状”的微妙变化实现的，这一过程被称为波形扭曲（waveform distortion）。该过程不仅有助于保持时间稳定，还影响着人体内部时钟与昼夜周期同步的好坏程度。

不知是否曾想过，人体是如何知道何时该睡觉或醒来？简单的答案是，人体有一个生物钟，它运行在大约24小时的周期上。但由于大多数化学反应会随着温度升高而加速，人体如何补偿全年温度的变化——甚至当人们在户外的夏日酷热与室内的空调房间之间来回移动时——在很大程度上仍是个谜。

人体生物钟由mRNA（编码蛋白质生产的分子）的周期性模式驱动，这些模式源于某些基因被节律性地开启和关闭。正如钟摆在时间上的前后摆动可以用数学上的正弦波来描述，一遍又一遍平稳地上升和下降，mRNA的产生和下降的节奏也是如此。

该研究团队借鉴理论物理学来分析描述mRNA水平这种节律性升降的数学模型。具体来说，他们使用了重正化群方法（renormalization group method），这是一种从物理学借鉴而来的强大方法，用于从mRNA节律系统中提取关键的慢变动力学。

他们的分析揭示，在较高温度下，mRNA水平应该上升得更快，下降得更慢，但重要的是，一个周期的持续时间应保持恒定。在图表上绘制时，这种高温节律看起来像一个扭曲的、不对称的波形。

但这种理论上的变化真的会发生吗？为了在真实生物体中检验这一理论，该团队研究了来自果蝇和小鼠的实验数据。果然，在较高温度下，这些动物表现出了预测的波形扭曲，证实了理论预测与生物学现实相符。他们得出结论，波形扭曲是生物钟温度补偿的关键，特别是每个周期中mRNA水平下降的减慢。

(A)昼夜节律钟模型(B)波形特征与温度补偿（洋红色）和同步（青色）的相关性。

该团队还发现，波形扭曲会影响生物钟与环境线索（如光照和黑暗）同步的好坏程度。分析预测，当波形变得更加扭曲时，生物钟更加稳定，环境线索对其影响很小。这一理论预测与果蝇和真菌中的实验观察结果相符，并且具有重要意义，因为不规则的明暗周期是现代大多数人的生活一部分。

Kurosawa说：“我们的研究结果表明，波形扭曲是生物钟如何在温度变化时仍能保持准确和同步的关键部分。”

他补充道，未来的研究现在可以专注于确定减缓mRNA水平下降的确切分子机制，正是这一机制导致了波形扭曲。该团队还希望探索这种扭曲在不同物种之间——甚至个体之间——是如何变化的，因为年龄和个人差异可能会影响人体内部时钟的行为方式。

Kurosawa指出，“从长远来看，时钟基因中的波形扭曲程度可能成为一种生物标志物，帮助我们更好地理解睡眠障碍、时差反应以及衰老对我们内部时钟的影响。它还可能揭示节律如何运作的普遍模式——不仅是在生物学中，而且在涉及重复周期的许多系统中。”（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Shingo Gibo et al, Waveform distortion for temperature compensation and synchronization in circadian rhythms: An approach based on the renormalization group method, PLOS Computational Biology (2025). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1013246.