将一群果蝇以大剂量X射线照射，其中极个别会产生行为障碍。正常情况下，果蝇存在周期为24小时的生活规律，而这些果蝇有的完全没有规律，有的虽有规律，但周期却发生了改变，最长达28小时，最短则仅有19小时。

　　1967年，美国加州理工学院分子生物学家本泽尔（Seymour Benzer）和他的学生科诺普卡（Ronald Konopka）开始关注这些行为异常的果蝇。他们于1971年得出结论：这些果蝇虽然行为表现存在差异，但都属于昼夜节律紊乱，是同一基因发生突变的结果。该基因被命名为周期基因，位于果蝇的X染色体上。果蝇周期基因是人类鉴定的第一个生物钟基因，这一发现掀开了昼夜节律研究的序曲。虽然周期基因被认为与昼夜节律相关，但限于技术条件，当时人们对这一基因的作用和机制知之甚少。

　　20世纪80年代，随着基因工程和DNA测序技术的发展和完善，生物钟基因研究发展到一个新高度。1984年，美国布兰迪斯大学的霍尔（Jeffrey Hall）和罗斯巴什（Michael Rosbash）研究小组，与美国洛克菲勒大学的杨（Michael Young）小组几乎同时完成了周期基因的测序，为进一步研究昼夜节律机制奠定了坚实基础。

　　霍尔和罗斯巴什发现周期基因对应的蛋白质——周期蛋白，其含量变化存在周期性。周期蛋白晚上含量达到最高，白天降到最低，变化周期恰为24小时，与昼夜节律正好一致，二者之间应该存在某种因果关联。1990年，霍尔和罗斯巴什提出“反馈抑制理论”来解释周期蛋白含量振荡现象。该理论认为周期基因在夜晚才高效转录，从而产生大量周期基因mRNA，产生的mRNA从细胞核进入细胞质进行翻译过程进而制造出大量周期蛋白；随着周期蛋白含量增多，它们可进入细胞核抑制周期基因转录，导致周期蛋白来源被掐断，因此蛋白含量在白天逐渐减少；随着周期蛋白含量降低，其对周期基因转录抑制作用逐渐降低，因此周期基因mRNA含量再次增多而引起周期蛋白升高。周期蛋白这种24小时周而复始的变化形成了昼夜节律的基础。

　　反馈抑制理论很好地解释了周期蛋白含量振荡现象，然而仍有许多问题尚未解决，其中之一就是周期蛋白如何从细胞质运输到细胞核。1994年，杨在果蝇中发现第二个周期基因——时间紊乱基因，该基因突变也造成果蝇昼夜节律紊乱，果蝇出现与周期基因突变类似表型。杨进一步观察发现，时间紊乱蛋白变化也具有24小时周期性，并与周期蛋白变化模式高度一致，暗示二者之间存在密切关联。杨小组研究最终解释了周期蛋白入核之谜。原来时间紊乱蛋白与周期蛋白调控规律具有同步性，而且二者可形成复合物，从而保证周期蛋白从细胞质进入细胞核，最终完成抑制周期基因转录的目的。这一发现进一步深化了对昼夜节律机制的理解和认识。

　　后续研究表明果蝇周期节律机制更为复杂。杨小组发现第三个果蝇生物钟基因——双时基因，双时蛋白负责调控周期蛋白的稳定性。霍尔和罗斯巴什还发现果蝇隐花色素基因、时钟基因和循环基因等多个生物钟基因，隐花色素蛋白可在感光情况下降解时间紊乱蛋白，很好解释了时间紊乱蛋白含量降低问题；而时钟蛋白和循环蛋白则保证了周期基因和时间紊乱基因转录激活效应。通过一系列研究，三位科学家揭示了一个复杂、精密的昼夜节律时空调控网络体系。

　　2017年，霍尔、罗斯巴什和杨三人由于在“昼夜节律调控分子机制发现”方面的奠基性贡献而分享诺贝尔生理学或医学奖，而另外两位先驱本泽尔和科诺普卡则由于逝世而无法分享这一荣誉。昼夜节律是一个进化上的保守过程，因此三位科学家在果蝇方面的发现对理解包含植物、动物以及人类在内的高等生物昼夜节律机制具有重要帮助。这一发现的重大价值还在于深化了对人类多种生理过程、行为学现象、机体健康和疾病发生等的理解和认识，从而对提升生活质量具有巨大价值。

　　（作者单位：北京大学深圳医院）