昼夜节律与生物钟：中枢与外周的协同作用
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日升月落，晨昏交替，这些自然节律深刻影响着地球上的生命活动，形成了昼夜节律，即我们俗称的生物钟。生物钟最早在1970年代被发现，是生物为了适应地球自转所产生的昼夜更替而进化出的一种节律性生命活动。这种无形的“时钟”精密地调控着人体细胞的生物时间，使其功能与环境的日常变化同步，并发挥着至关重要的生理作用。
值得注意的是，人体内存在多个生物钟。近日，西班牙庞培法布拉大学(UPF)和巴塞罗那生物医学研究所(IRB Barcelona)的科学家们在《科学》(Science)和《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)期刊上同时发表了两篇互补的研究论文。
中枢与外周生物钟的协调作用
这两项研究揭示了中枢生物钟与外周生物钟之间的同步和协调作用，并探讨了它们如何调节皮肤和肌肉的日常活动。中枢和外周生物钟的协同作用保证了50%的组织昼夜节律功能，包括细胞周期、DNA修复、线粒体活性和代谢等重要生理过程。
研究发现，中枢生物钟与外周生物钟的协同作用能够预防肌肉衰老并改善肌肉功能。这一发现提示，通过调节昼夜节律，可能有助于应对与年龄相关的身体功能衰退。
生物钟的作用机制
人体的神经系统分为中枢神经系统(包括大脑和脊髓)和周围神经系统。类似地，大脑中的中枢生物钟调节着人体的昼夜节律，这一生物钟与不同组织中的外周生物钟通讯，影响着多种生理功能，包括睡眠模式和食物消化等。
研究中，科学家们探讨了中枢生物钟和外周生物钟如何同步和协调，以揭示生物钟、中枢神经系统和组织细胞之间的相互作用，以及生物钟如何确保组织的正常功能和预防与衰老相关的功能衰退。
《科学》上的研究发现
在发表于《科学》期刊的研究中，研究团队首先发现缺乏生物钟成分Bmal1的小鼠不仅表现出节律紊乱，还表现出过早衰老和肌肉萎缩。为探究大脑中枢时钟和外周时钟在肌肉中的具体作用，研究人员通过在大脑和骨骼肌中靶向表达Bmal1来恢复生物钟功能。
研究发现，在小鼠模型中，恢复昼夜节律可以减少肌肉质量和力量的损失，从而改善因衰老而逐渐退化的运动功能。特别是同时恢复中枢生物钟和外周生物钟的小鼠，其改善程度最佳。这证实了大脑与肌肉之间的生物钟交流，以及中枢生物钟与肌肉外周生物钟的同步对于维持日常肌肉功能和防止肌肉组织过早衰老的重要性。
限时进食的作用
研究还表明，限时进食(TRF)这种饮食模式可以部分替代中枢生物钟，增强肌肉生物钟的自主性。限时进食通过恢复昼夜节律，能够减轻老年小鼠的肌肉力量、代谢能力和运动功能的退化。这一发现对开发针对肌肉衰老的疗法和提高老年人身体机能具有重要意义。
《细胞干细胞》上的研究发现
在发表于《细胞干细胞》期刊的研究中，研究团队构建了一个仅包含两个节点的小鼠最小生物钟相互作用网络，即表皮外周生物钟和大脑中枢生物钟。通过对这种孤立连接的生物钟网络进行转录组学和功能表征，研究确定了外周生物钟在系统输入方面的关键作用。
研究表明，皮肤组织的外周生物钟能够整合甚至颠覆来自大脑中枢生物钟的信号，以确保表皮组织的正常生物节律。这一协调作用在皮肤组织的日常生理功能方面起着关键作用。例如，通过整合大脑信号并在必要时修改它们，外周生物钟确保了皮肤的正常运作。
外周生物钟的自主性
令人惊讶的是，在没有外周生物钟的情况下，中枢生物钟能够维持皮肤组织的昼夜节律，但这种节律与正常节律恰恰相反。例如，研究发现，如果仅受中枢生物钟调节，皮肤细胞的DNA复制将发生在白天，这增加了积累突变的风险，因为在白天皮肤更容易暴露于紫外线辐射。
这一现象凸显了外周生物钟的重要性。外周生物钟不仅接收中枢生物钟的信号，还会根据所在组织的特定需要调整或修改这些信号。此外，外周生物钟具有显著的“自治能力”，即使在没有中枢生物钟的情况下，也能维持24小时周期并管理约15%的昼夜节律功能。
总结
总的来说，发表于《科学》和《细胞干细胞》的两项研究分别揭示了中枢生物钟和外周生物钟的同步与协调作用。这两项研究共同强调了中枢生物钟与外周生物钟的协同作用在维持肌肉和皮肤的正常功能方面的重要性。
这些研究表明，仅需中枢生物钟和外周生物钟之间的最小相互作用，就能保持肌肉和皮肤等组织的最佳功能，避免它们的退化和衰老。研究团队计划进一步确定参与这种相互作用的信号因子，以促进相关治疗应用的开发。这些发现为探索新的治疗策略，尤其是针对年龄相关的身体功能衰退提供了重要线索。
温馨提示：医疗科普知识仅供参考，不作诊断依据；无行医资格切勿自行操作，若有不适请到医院就诊。
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