爲適應地球自轉引起的各種環境因子的晝夜交替變化，自然界衆多生物進化出了近24 h的生物節律週期，通常稱爲晝夜節律。晝夜節律由生物體的內在定時系統，即生物鐘系統所調控。哺乳動物的各種重要生命活動，包括體溫循環、激素釋放、心跳、血壓變化和睡眠-覺醒週期等，均表現出晝夜節律。有關晝夜節律的調控過程和內在分子機制一直以來是時間生物學領域的研究熱點，2017年諾貝爾生理學或醫學獎授予了三位美國遺傳學家，傑弗理·霍爾 (Jeffrey C. Hall)、邁克爾·羅斯巴希 (Michael Rosbash)、邁克爾·楊 (Michael W. Young)，以表彰他們發現生物鐘運作的分子機制。總體而言，生物鐘系統由中樞生物鐘和外周生物鐘組成，一些核心生物鐘基因 (Bmal1、Clock、Per1/2、Cry1/2) 及相應蛋白間的相互作用構成生物鐘運行的分子基礎。在哺乳動物中，Per1是生理節奏調節基因的核心成員，缺乏Per1基因的小鼠晝夜節律週期縮短，其維持晝夜週期穩定性和準確性的能力也受到損害。不僅如此，Per1基因敲除突變小鼠表現出一定程度的晝夜節律紊亂，如降低了下游基因的節律性表達幅度，失去了生理和行爲間原有的節律協同性等。因此，Per1基因對哺乳動物維持正常的晝夜節律至關重要，是研究哺乳動物晝夜活動模式分子基礎及適應性進化的關鍵基因。綜合以往研究結果表明，生物鐘相關基因的表達變化模式存在較大的種屬差異，而哺乳動物中涉及生物鐘基因的相關研究多集中在實驗室控制條件下的小鼠等模式生物，對於野外自然狀態下生存的蝙蝠物種的生物節律仍缺乏研究和認識。蝙蝠作爲具有晝伏夜出生活習性哺乳動物的典型代表 (圖1A)，其獨特的生物節律與核心生物鐘基因的節律表達調控密切相關。然而，有關以蝙蝠爲代表的野生夜行性哺乳動物的晝夜節律分子基礎仍缺乏系統認識，尤其是核心生物鐘基因究竟在多大程度上影響或決定哺乳動物晝夜活動模式的分化，仍有待揭示。圖1 東方蝙蝠腦區Per1基因表達量分析結果. A：一蝙蝠天內四個關鍵活動狀態所對應的採樣時間點. B：東方蝙蝠腦區Per1基因的晝夜表達變化模式
哺乳動物的Per1基因主要受光信號的影響，光能誘導Per1基因的轉錄，因此在日行性哺乳動物中，其體內的Per1基因表達量在日出後逐漸升高，而在夜間睡眠狀態降至最低值。本研究首先利用熒光定量PCR方法，對一天內四個時間節點處的東方蝙蝠腦區Per1基因進行表達量分析，明確了Per1基因在夜行性蝙蝠腦區的晝夜振盪規律：由休息狀態到睡眠狀態對應着基因表達量的由高到低，睡眠狀態的表達量最低，而由覺醒狀態到活動狀態對應着基因表達量的持續升高 (圖1B)。雖然上述Per1基因的相位變化特點在日行性和夜行性哺乳動物中的出現時間不同，但與哺乳動物的活動節律一致，即在日行性動物中該基因是在黎明時高表達，而在夜行性動物中則爲黃昏時的表達量較高，基因表達開始升高的時期均對應着動物活動的開始時期，進一步表明核心生物鐘基因Per1的功能保守性。不僅如此，本研究結果通過文獻查找確定和構建的物種樹能夠反映出本研究中23種具有明確晝夜活動模式的哺乳動物間真實的系統發育關係 (圖2A)，其拓撲結構與基於核心生物鐘基因Per1序列所構建的結果高度一致 (圖2B)，進而表明核心生物鐘基因Per1在哺乳動物的功能重要性，體現在基因序列較爲保守。圖2 具有明確晝夜活動模式的23種哺乳動物系統發育關係圖. A：基於23種哺乳動物真實物種關係構建的物種樹. B：基於核心生物鐘基因Per1序列構建的基因樹. 分支分別表示基於最大似然法 (ML)、鄰接法 (NJ) 和貝葉斯法 (BI) 的支持度
滑窗分析結果顯示，Per1基因在夜行性哺乳動物中的進化速率普遍高於日行性哺乳動物 (圖3A)，表明核心生物鐘基因Per1在夜行性哺乳動物中面臨較強的選擇壓力，可能促進了哺乳動物夜行性活動模式的形成和穩定。並且，在Per1基因序列中共檢測到17個受正選擇位點，其中731 T 和1118 A (分別在日行性和夜行性哺乳動物中檢測到) 是顯著受到達爾文正選擇的，並位於Per1基因編碼蛋白的重要功能域上 (圖3B)；另有5個潛在受正選擇位點同樣位於PER1蛋白功能域上，且對應着夜行性動物的進化速率ω值高於日行性動物的序列區域；表明這些位點的適應性改變可能影響PER1蛋白功能的發揮，從而促進哺乳動物不同晝夜活動模式的形成和分化。圖3 Per1基因的分子進化分析結果. A：Per1基因在日行性和夜行性哺乳動物中的進化速率. B：Per1基因受正選擇位點與重要功能域在其所編碼蛋白序列上的分佈. 紅色和藍色三角形分別表示顯著受正選擇與潛在受正選擇位點在Per1基因序列上的對應位置
綜上，本研究爲深入理解哺乳動物自身穩態維持與適應環境週期性變化的關鍵分子基礎提供新的認知，爲生物鐘相關研究提供思路和參考。然而，參與調控生物體晝夜節律的分子網絡十分複雜，未來研究需在不同分子水平共同揭示哺乳動物晝夜節律的分子調控機制，且需對重要核心生物鐘基因中篩選到的正選擇位點開展驗證性實驗，以明確基因位點與氨基酸位點的改變對基因功能的具體影響，繼續推進哺乳動物晝夜節律適應性進化的分子機制研究。該研究以“蝙蝠核心生物鐘基因Per1晝夜表達節律與適應性進化研究”爲題發表於《獸類學報》2024年第3期。吉林農業大學生命科學學院副教授王慧爲論文第一作者，吉林農業大學教授/東北師範大學特聘教授馮江爲論文通訊作者。該研究得到國家自然科學基金 (32371561) 的支持。
馮江，生態學博士，博士生導師，吉林省首批一級教授。吉林農業大學教授、東北師範大學外聘高級專家 (學科領軍人才)。國務院學位委員會生態學科評議組成員，教育部高等學校自然保護與環境生態類專業教學指導委員會副主任，全國高等學校設置評議委員會委員。享受國務院政府特殊津貼，教育部首批新世紀優秀人才，寶鋼優秀教師獎，全國優秀科技工作者。
主要從事動物生態與保護生物學和環境生態學研究，在野生動物行爲、生態、進化和保護方面開展了系統和創新研究，取得了一系列重要科研成果。先後主持國家重大科技專項，科技部基礎資源調查專項、國家自然科學基金重點項目、中美國際合作重點項目等50餘項。獲得吉林省科技進步一等獎2項。在PNAS、Science Advances、Molecular Ecology、iScience等主流學術期刊發表SCI檢索論文近200篇。
封面圖片：夜空中的蝙蝠捕食昆蟲，由Merlin Tuttle拍攝。
