Science丨果蝇主动“关灯”从而重启生物钟

撰文丨Yanan

昼夜节律（ circadian clock ）几乎存在于地球上所有生物中，赋予了生物体预测和适应光照、温度等每日环境变化的生存优势。在果蝇中，节律行为由核心节律蛋白 Period （ PER ）和 Timeless （ TIM ）等分子的周期性振荡控制。然而，当果蝇长期处于持续光照环境时，蓝光受体 Cryptochrome （ CRY ）和 F-box 蛋白 Jetlag （ JET ）会介导 TIM 蛋白的持续降解，导致分子生物钟停摆，果蝇进而表现出无节律的运动行为 。 2017 年的诺贝尔生理学或医学奖被授予三位科学家 ， Jeffrey C. Hall ， Michael Rosbash 和 Michael W. Young ， 以表彰他们发现了控制昼夜节律的分子机制【1】。

近 日，来自 德国明斯特大学的 Ralf Stanewsky 团队在 Science 杂志发表了题为 Fruit flies actively restart their circadian clock by proactively shaping their environment 的研究论文。 在经典的果蝇节律行为学实验中，果蝇通常被单独饲养在完全透明的玻璃管内，只能被动地接收外部设定的光暗交替或持续光照条件。而该研究打破了这一经典范式，通过为处于持续光照环境中的果蝇提供无遮挡（亮）与有遮挡（暗）的差异化空间，发现 果蝇能够主动在亮暗区域间移动，通过自主选择合适的环境亮度，从而成功维持或重启了自身的生物钟节律 。【2】

为了让果蝇能够自主选择光照环境，研究人员在果蝇实时行为记录装置 Ethoscope 的基础上进行了改进。在该装置里，果蝇被单独放置在两端均含有食物的玻璃管内，其运动的频率可以用来估计其节律状态。 通过在测试区域的一半覆盖遮挡果蝇可见光的材料，研究人员制造出 一个暗区，而另一半则暴露在光照下。果蝇能够在不同区域之间自由运动，其行为则通过不可见的红外光进行记录。

图 1. 加入遮盖物的节律记录装置

在为期十天的节律实验中，前三天设置为 光暗交替，然后则转换为全天候持续光照。研究 人员将实验分为四个组别，并在不同阶段加入遮盖物。正如预期，持续光照下，几乎所有无遮挡的果蝇在持续光照下都失去了节律。然而，当果蝇有机会进入暗区时，有 60% 至 80% 的个体成功维持或重新建立了生物钟节律。值得注意的是，即使是那些在持续光照中已经失去节律的果蝇，在能够选择进入暗区后，也能主动改变自身所处位置并恢复其运动节律。

图 2. 加入遮盖物（蓝色阴影）后果蝇重 现节律行为

空间位置数据分析进一步揭示，恢复了节律的果蝇个体不仅偏好停留在暗区，它们还会极具节律性地靠近并短暂进入亮区，展现出与运动节律周期高度一致的位置变动节律。相比之下，没有恢复节律的果蝇个体则没有表现出这种空间偏好上的周期性。

在之前的研究中， PER 蛋白的核质比会随着果蝇的主观日夜节律周期性震荡。由于通过果蝇自主选择亮暗环境而恢复的节律在个体之间并不同步，研究人员 预测了果蝇个体的节律周期后，并在周期内的不同时间点解剖出了果蝇大脑并通过免疫荧光标记了 PER 的分布。免疫荧光结果显示，通过自主选择环境而恢复行为节律的果蝇，其时钟神经元（如侧腹神经元 LNv 等）中的 PER 蛋白再次出现了显著的核质穿梭和细胞内浓度振荡。而在没有恢复节律的果蝇中，这一分子层面的周期性变化依然处于停滞状态，有力地证实了节律果蝇的内在分子钟确实被重启。

研究人员更进一步分析了果蝇的睡眠参数。通过主动在光暗区域间规律穿梭来维持节律的果蝇，相较于同环境下的无节律个体，其睡眠总时长虽然相当，但睡眠质量得到了显著改善。这种改善主要体现在睡眠碎片化程度的降低，以及平均单次睡眠时间和最长睡眠片段的显著增加。对缺乏核心节律基因的突变体果蝇进行相同测试时，引入暗区并不能改善其睡眠碎片化，这说明 完整的分子钟对于果蝇重启节律并改善睡眠质量是必要的。

总的来说， 本文颠覆了以往节律研究中果蝇单向地接受环境变化的范式，揭示了果蝇不仅只是被动适应者，还能（发挥主观能动性）通过对物理空间的自主选择，主动避开引起时钟系统紊乱的强光，从而保障了内在分子生物钟的运转与生理层面的睡眠健康。 值得注意的是，即便在完全相同的自由选择环境下，依然有约 20% 到 40% 的果蝇维持无节律状态。这种同种群内呈现出的不同行为决策模式，无论是源自细微的基因型差异，还是视神经系统发育过程中的随机变化，都充分折射出动物个体行为的多样性，并为整个种群在负载环境中的存续提供了更大的可能。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2239

制版人： 十一

参考文献

1. Sehgal, Amita. "Physiology flies with time."Cell171.6 (2017): 1232-1235.

2. Coculla, Angelica, et al. "Fruit flies actively restart their circadian clock by proactively shaping their environment."Science393.6806 (2026): 98-104.

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