2011年欧宝娱乐游戏下载交流BSCB科学写作奖

是什么让我们打勾?

John Ankers,利物浦大学

从改变季节到我们的日常睡眠模式或我们心中的殴打,我们周围都在我们身边。我们现在所知的是,其中一些非常不同的自然环升在巨型时钟中的齿轮或齿轮等一些。了解这些时钟如何工作(以及它们如何出错)可能会带来新的希望治疗癌症等疾病。

在北半球,地球在阳光下的通过给我们寒冷的冬天和温暖的夏天。这些,以及由月球轨道控制的日常潮汐模式以及由不断旋转的行星驱动的日常循环,在地球上的生命中放置了相当大的压力。植物和动物如何适应这种戏剧性变化?

想象一个巨大但看不见的时钟。太阳和月亮带来的环境变化使这个时钟的齿轮转动。季节齿轮每年转动一次,日-夜齿轮较小,每24小时转动一次。这些齿轮是相互联系的:随着地球绕着太阳转,不仅季节改变了,白天也变长或变短了。植物和动物都有自己无形的发条装置。地球光/暗循环的每一次转折都创造了"昼夜“(拉丁语意思是”大约一天“)植物日常生活模式,睡在人类中。昼夜循环的机制是复杂的,在数百万年中发展,对环境的意外变化敏感。这允许例如人类对光或黑暗的异常反应(可能经历的射流滞后)或植物来改变其新陈代谢以补偿特别恶劣的冬季。

人体中的许多细胞都在不断地修复或更新(皮肤细胞大约每天更新,而神经细胞从不复制)。幸运的是,对于我们的生物钟来说,这个“细胞周期”是由一些故障保险控制的,以确保正确的细胞以正确的方式复制,并且不会发生得太慢——导致早期发育出现问题,也不会发生得太快——导致肿瘤形成的可能性。在发现调节细胞分裂速度的蛋白质方面,已经做了很多工作(并获得了诺贝尔奖)。细胞周期与我们日常的生理周期有机械上的联系(它们的齿轮是相连的),这表明人体可能能够在白天或晚上的不同时间更有效地自我更新。最近,细胞周期被证明与一组有趣的不同的齿轮相互作用。这些小得多、快得多的齿轮(骑行时间从100分钟到6小时不等)在收到紧急信号时可以“连接”到发条上,比如需要对感染做出反应,或者如果细胞内的DNA被损坏——在一个有缺陷的细胞可以被复制之前,冷冻它的细胞周期,从而避免威胁或修复任何损伤。

所有这些都让我们的生物钟异常复杂。然而,许多这样的齿轮现在正在转动,在你身体的每个细胞中。有些在加速、停止和重新开始,而有些在检查、修复、破坏和重建,正是这些齿轮之间的联系对整个生物钟产生了巨大的影响,从而影响了我们细胞和组织的健康。那么,在阿尔茨海默氏症或癌症等疾病中,生物钟发生了什么变化?作为旁观者,我们又该如何考虑去修理一个有问题的时钟呢?

癌症如此难以治疗的原因之一是,我们生物钟中的一个有缺陷的齿轮(如细胞周期周期过快)可能与许多其他“健康”的齿轮(如驱动DNA复制和修复或对感染作出反应的齿轮)结合在一起。化疗药物被用来破坏体内有缺陷细胞周期的细胞,但这样做也可能干扰一些其他健康的齿轮,导致严重的副作用。想象一下,在老爷钟的工作中,修理一个有毛病的齿轮而不影响其他齿轮的工作是多么困难。现在想象一下,当所有的齿轮都在移动的时候做这个动作!

但这并不是坏消息。这种复杂的问题是以新的和相当不正当的方式解决的。我的领域,“系统生物学“致力于重建在人体内部作为计算机模型中的击败,脉冲和振荡的机制,就像工程师一样,可以构建平面或摩天大楼的计算机模型,以识别和纠正其设计中的问题。这些模型允许我们“几乎”解开人类细胞的发条,看看是什么使其刻度,然后以一种在实验室或手术期间不可行的方式探测和刺激各个部件。

当我们开始更多地了解细胞的生物钟是如何联系在一起的——比如变化的季节是多么大,多么缓慢,生物钟或细胞周期随着更小的齿轮转动,就像那些驱动紧急反应的齿轮(甚至更小的齿轮每几秒钟循环一次,就像那些驱动心脏或神经系统中的电脉冲)——我们也许能够设计出利用它们之间联系的组合治疗。例如,暂时减缓细胞周期可能会让第二种药物对感染产生反应,否则这种反应就会被阻断。尽管关于我们体内的生物钟还有很多需要了解的地方——所有这些不同的齿轮到底是如何连接的?我们还能发现什么吗?-帮助患病细胞修复(或重置)自身的能力无疑提供了一个令人兴奋的前景,当然这只是个时间问题。