防走失，電梯直達安全島東A

來源：知識分子

作者：嚴勝男

藝術化呈現的生物鐘起源模型(由徐占聰設計完成)；這個ATP酶驅動的沙漏隱喻了極慢的水解酶動力學決定了振蕩的速度，促成了24小時的晝夜節律。背景中組成六聚體的RUVBL2是真菌、果蠅、植物和小鼠生物鐘系統中的共同起源分子。圖源： 清華大學生物醫學交叉研究院官網

晨曦中向日葵逐日綻放，暮色里招潮蟹候月出穴，子夜里螢火蟲點星閃爍……這些生物活動的規律，正是體內精密的時間機制在調控，讓生命節奏與晝夜更替、季節變化保持同步。

然而，幾十年來，當科學家們試圖解碼這精密的生物鐘機制時，卻始終被時間的周期困住。

生物鐘的轉錄-翻譯負反饋環路（TTFL）模型已于 2017 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，它揭示了一條基因表達的負反饋調控通路：時鐘基因轉錄后產生mRNA，翻譯形成時鐘蛋白，時鐘蛋白積累到一定水平后抑制自身基因的轉錄，隨著時鐘蛋白的降解，抑制作用減弱，基因轉錄重新開始——這一輪循環，在體內，或者說細胞內，周期剛好是24小時左右；但當我們在體外試圖重構與轉錄-翻譯負反饋相關的循環，最多只能清晰地刻畫出大約6小時的周期變化。消失的時間去了哪里？究竟是什么“拖慢”了時間的腳步？在諾獎中我們不能找到這個問題的答案。那么，是否還存在著其他未知的通路？

2025年3月，一項突破性發現為其提供了關鍵線索。

北京生命科學研究所高級研究員張二荃研究團隊在《自然》雜志上揭示了一種名為RUVBL2的P-環NTP酶在生物鐘調控中的核心作用（《The P-loop NTPase RUVBL2 is a conserved clock component across eukaryotes》）。這種 “異常緩慢”的ATP水解酶，每天僅處理約13個ATP分子。

圖源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08797-3

要理解這種緩慢的程度，不妨考慮一些“普通”ATP酶的運轉速度：肌球蛋白，這種在肌肉收縮中至關重要的馬達蛋白，每秒可以水解約10個ATP分子；線粒體中的F1-ATP酶這臺能量轉換工廠每秒處理近100個ATP；而最為高效的酶如碳酸酐酶，每秒能催化多達100萬次反應。

張二荃團隊通過突變RUVBL2基因，獲得了酶活性更高或更低的突變體，發現可精確將其晝夜周期調控到22小時到30小時。正是這種“緩慢”的特質，讓它能夠精確地度量時間，調節生物體內的晝夜節律周期。

圖1 RUVBL2是生物鐘的核心組成成分(改編自原文)

(a) 在細胞中敲入突變會導致長周期、短周期或無節律的表型，而在小鼠SCN過表達RUVBL2突變體可重現長周期和短周期的節律變化。此外，細胞與小鼠的周期表型呈線性相關。(b) 在小鼠SCN中敲除Ruvbl2會導致其在恒定黑暗條件下喪失活動節律。圖源：清華大學生物醫學交叉研究院官網

這樣的機制并非首次被發現。早在2005年，日本科學家近藤孝男（Takao Kondo）實驗室就在藍藻中發現了KaiC蛋白及其“伙伴”KaiA和KaiB。只要在試管中加入ATP，這三個純蛋白就能自發形成24小時周期。KaiC通過緩慢的磷酸化和去磷酸化過程，在KaiA的促進和KaiB的抑制下，精確地維持著晝夜節律。

這曾讓科學界興奮不已，以為即將解開生物鐘周期之謎，但隨后20年里，科學家們卻始終未能在其他生物中找到類似的機制。漸漸地，人們開始認為KaiC系統可能只是進化長河中的一個偶然。“這套系統實在過于精妙，出現一個就很了不起，怎么可能有這么多？”，并提出“生物鐘是多中心多起源，協同進化”。真核生物的生物鐘似乎完全依賴于基因表達的轉錄-翻譯反饋環路（TTFL）。

但張二荃認為這套說法并不能讓人信服，“生物都接受著同樣的光照，感受著相同的地球脈搏，怎么會是多中心起源呢？”

直到2014年，他們在一次偶然的改變生物鐘的化合物篩選計劃中迎來了轉機，他們發現一種核苷化合物蟲草素（cordycepin），能導致時鐘基因表達相位完全逆轉。順著這條線索，他們找到了關鍵靶點蛋白RUVBL2。讓人驚喜的是，這個AAA+家族的ATP酶與KaiC驚人地相似：都具有極其緩慢的ATP水解速率，抑制它們都能產生精確的時間延遲。

圖2 在人源RUVBL1/RUVBL2復合物的ATP結合口袋中，水分子的位置與藍藻KaiC相似，都處在一種非優化的進攻ATP γ-磷酸基團的狀態，因而決定了它們是一類極慢速的ATP水解酶。圖源：清華大學生物醫學研究院官網

與原核生物中的KaiC不同的是，RUVBL2在真核生物的生物鐘調控中具有跨物種保守性，從人類到果蠅，再到脈孢菌，張二荃都在其身上找到了同源蛋白并完成了驗證。

這是一條完全獨立于傳統TTFL機制的通路，張二荃團隊設計了一系列實驗證實了這一點。他們聚焦于TTFL模型中兩個關鍵的時鐘基因CRY1和CRY2。這對基因在生物鐘調控中扮演著相反的角色：降低CRY1會縮短周期，而降低CRY2則會延長周期。研究人員發現，無論是在具有高ATP酶活性（周期縮短）的RUVBL2突變體中，還是在低活性（周期延長）的突變體中，CRY1和CRY2的這種調控效應都完整保留。更重要的是，RUVBL2的效應與CRY的效應呈簡單疊加關系，而非相互影響。

緩慢震蕩的ATP酶，保管著35億年進化史中最寶貴的節奏。從藍藻的海洋微光到真核細胞的誕生，從恐龍時代的哺乳動物到直立行走的露西，RUVBL2始終以每天大約13次ATP水解的節奏，在基因組中刻下時間密碼。

時鐘振蕩器里，六個RUVBL2分子首尾相連，形成一個環狀結構。通過緩慢但持續的構象變化來丈量時間。每當一個ATP分子被水解，就會引發六聚體中的一處構象改變。由于每天只水解13個ATP，平均每兩小時才完成一次構象轉換。隨著時間推移，這些微小的構象變化逐漸累積。到12小時時，六聚體已經發生了顯著的結構重排，就像一個金屬環被逐漸扭轉變形。24小時后，六聚體完成一個完整的構象循環，回到初始狀態，準備開始下一輪周期。

在尋找這些“消失時間”的過程中，RUVBL2的故事為這個崇尚效率的時代，提供了一個反直覺的教訓：生命選擇了緩慢作為其計時策略，不是因為它無法更快，而是因為它不需要更快。當我們試圖用咖啡因、人工照明和不規律的作息來打破這個古老系統時，我們實際上是在與進化精心設計的、以“緩慢”為基礎的生物節律作對抗。

01

從應用到基礎的一次翻越

張二荃開啟這項化合物篩選計劃時怎么也沒有想到，自己會找到生物鐘進化中的核心分子RUVBL2，他當時只是樸素地以為，生物鐘調控目前缺乏藥物。

周期、振幅和相位是描述生物鐘振蕩的三大參數。他刻意避開了基礎科學中最重要的問題——周期，反而瞄準了不那么受關注的相位和振幅。它們只能解決實用性的問題，諸如幫助旅行者快速適應新時區，幫助輪班工作者調整作息，緩解季節性情緒障礙，改善老年人的睡眠等等。

這樣的選擇也為他研究的命運埋下了伏筆，它注定不是一個“受歡迎”的研究。

從近萬種候選化合物中，他們發現蟲草素能完全逆轉生物鐘的節律，造成12小時的相位偏移。更重要的是，這種效果強烈依賴給藥時間，呈現“0型重置”特征——就像時鐘指針突然跳轉，而不是緩慢調整。在動物實驗中，注射蟲草素的小鼠只需4天就能適應8小時的時差，比正常情況快了一倍。而在特定的時間，還能發揮提高振幅的效果。

這條代表著生物鐘的正弦曲線有了蟲草素的參與變得更加強勁、相位轉變更加迅速，這讓它贏得了中國、日本等多國的專利，提上了商業化的日程。

但是尋找蟲草素的靶點一直是作為科學家的張二荃的使命。他猜了很久，希望閃光的運氣能夠降臨，每一次晚飯后散步、開會間隙偶然地遐想都會把他帶到一個分子上，學生們再花上幾天甚至幾周的時間去實驗卻一無所獲，一來二去大失所望。

不像其他分子生物學實驗，生物鐘實驗無法在24小時內快速試錯、迭代假設。每個time course實驗都需要96小時的持續監測，一個完整的數據集往往要等待兩到三個完整周期才能顯現規律，而時間早溜走一星期。

凌晨的實驗室，熒光素酶記錄儀發出微弱的綠光，疲憊的學生仍在記錄新一輪的數據。盡管實驗室配備了自動化設備，但生物鐘的研究依然考驗著每個人的耐心與毅力。“決戰96小時”成了實驗室的標配，而這種不規律的作息卻諷刺地打亂了研究生物鐘的人自己的生理節律。

猜了兩年，學生終于熬不住了，找他申訴，“我馬上就要畢業了，不能再一直這樣做下去”。做“恐龍級”課題的同行告訴他，“沒有用，快點去做篩選吧”。他深知，在分子生物學領域，高通量篩選是標準方法論。但他另一方面又認為，科學不應該只是機械地篩選萬千分子，真正的科學突破往往源于敏銳的直覺和深刻的思考。

他坦言，那段時間最有壓力的不是自己，老板們忙于各種各樣的課題，“東方不亮西方亮”，對時間的流逝沒有太多的感知，研究機構也有很好的支持，反倒是學生承擔了繁瑣的重復勞動和時間壓力。

最終，張二荃還是不得不放棄執念，選擇了高通量篩選，通過功能篩選和物理相互作用篩選相結合的方式找到了RUVBL2。而在RUVBL2的發現讓實驗室沸騰之際，張二荃卻收到了《科學》雜志的拒稿信。“這不夠基礎”，審稿人如此評價。六年的心血，最終只能發表在一本轉化醫學期刊上。這個結果讓整個實驗室都感到些許失落。

但張二荃并未因此止步。在研究蟲草素的過程中，他們意外發現，當使用脫氨酶抑制劑時，蟲草素半衰期不僅得到延長，還能顯著影響生物鐘周期。這個發現讓他重新燃起了希望，也許RUVBL2還是打開生物鐘周期調控之門的鑰匙。

這篇關于蟲草素的研究發表后，實驗室迎來了新一批充滿熱情的學生。2023年起，張二荃帶領他們開展了一項新的計劃：利用CRISPR-Cas9技術對RUVBL2進行定向基因突變篩選。

22個短周期突變體，302個長周期突變體，55個完全失去節律的突變體。這種雙向性的周期改變，在生物鐘研究史上極為罕見，此前只在果蠅period等少數核心生物鐘基因中觀察到過。“這證實了RUVBL2確實是一個真正的生物鐘基因”，張二荃說道。

更令人興奮的是，當他們對這些突變體進行測序時，發現許多關鍵突變都集中在Walker A結構域周圍，這個區域正是負責ATP酶活性的關鍵位點。

兩篇文章明顯“頭重腳輕”，一篇工作耗時更久，打下了基礎但鮮少被人注意，第二篇工作花費時間短，但引人矚目，這是否會讓作者感到不平衡？張二荃笑著說道，“還好，我們都‘內部消化’了。第二篇文章的第一作者剛好是第一篇文章作者的太太”。

02

統一了矛盾

在那場尋找KaiC系統失敗的旅程后，生物鐘領域被一種二元分化的思想所主導。

多數研究者認為藍藻中那套神奇的KaiABC系統是原始生物特有的孤例，一種進化的“死胡同”，與真核生物復雜的轉錄-翻譯反饋環路毫無關聯。在這種主流觀點之外，另有少數學者堅持尋找共同機制，但他們的焦點幾乎全部集中在KaiC的自發磷酸化/去磷酸化循環上，視之為可能的共同祖先機制。

張二荃團隊的發現徹底打破了這一范式。他們證明了生物鐘的核心機制既不是KaiABC系統的特有屬性，也不是磷酸化/去磷酸化循環，而是一種此前被忽視的特性，極其緩慢的ATP水解酶活性，也是過去二十年科學界尋找Kai C系統功虧一簣的原因。

當張二荃比較兩個分子的結構發現，兩者在氨基酸序列上存在很大差異，相似度不到 10%，但它們在ATPase結構域的氨基末端（約 80 個）卻表現出極為相似的二級結構。因為 KaiC 和 RUVBL2 都屬于一個稱為 P 環NTPases的超家族。

為何如此之慢？答案隱藏在分子結構的精妙細節中。

在高分辨率晶體結構中，研究人員觀察到了RUVBL蛋白的活性位點有一個特殊的構型：負責水解ATP的水分子，所謂的“裂解水”，被刻意放置在一個“尷尬”的位置。就像一位投手被迫以不自然的角度投球，這個水分子必須從一個不利的角度和距離發動對ATP γ-磷酸的進攻。

這種結構上的“不便”并非缺陷，而是功能。

在高效ATP酶中，這個關鍵的裂解水通常與ATP的γ-磷酸保持約3.0-3.5埃的理想距離，并且接近180度的直線攻擊角，這種幾何構型能夠確保水分子對磷酸鍵發起高效的親核攻擊。然而，在RUVBL2中，這個水分子被推離了至少5.5埃的距離，且攻擊角度偏離了最佳值約50度。這種看似微小的結構差異，對反應速率產生了指數級的影響。

早在五年前，張二荃就得到了RUVBL2分子的結構圖，但是起初并不知道該如何理解。直到一次大會上和KaiC發現者交流，兩人同時拿出兩張結構圖，水分子的位置迅速成了他們關注的焦點。有了這次“點撥”，他們開始修改RUVBL1中的關鍵天冬氨酸殘基（D353），這臺緩慢的分子馬達幾乎完全停止了運轉；而修改附近的對照殘基（D356）則對酶活性毫無影響。

通過修改特定氨基酸來調整生物鐘的周期，這不乏讓人浮想聯翩。人的身體里不光存在著24小時的生物鐘，還有別的時針級、分針級、秒針級的時間感應，甚至非節律的生物鐘。如果我們能挖掘操控周期的奧秘，這對于應對神經性疾病至關重要，例如雙相情感障礙、季節性情感障礙等。了解人體的時鐘如何運作也能帶來新的想法，比如在一天中對身體影響最大的時間服用藥物。在這個方向，張二荃實驗室已布局多年，通過和神經生物學家合作各取所需，一個關注腦區和神經元編碼，一個關注分子。

而接下來，張二荃認為最為緊迫的事是找到RUVBL2的兩個兄弟，就像KaiC之于KaiA和KaiB，有了它們的輔助，在體外重建完整的24小時周期的振蕩。到那個時候，教科書將得以真正的改寫：RUVBL系統是生物鐘的起源。

采訪的最后，張二荃提到了他科研路上的英雄楷模——KaiC領域的開拓者近藤先生。在近藤先生的科研生涯中，他的研究對象從早期的衣藻轉移到大腸桿菌、酵母等，最終才鎖定到KaiABC系統的主角藍藻身上。雖然近藤先生在此領域從無到有地建立了KaiABC系統節律的檢測方法，并闡明了其精妙的分子機制，為該領域的后續研究奠定了堅實的基礎，但他始終低調做事，專注于科學問題本身，不去追求各種名利光環：他一生只獲得過為數不多幾項大獎，比如2007年的日本政府紫綬勛章（排在他之前的是因發現誘導多功能干細胞而獲諾貝爾獎的中山伸彌）、2014年的日本學士院獎（排在他之后的是因睡眠機制研究而被公認將會獲諾獎的柳澤正史）。在近藤先生之后，有多達十幾篇關于KaiABC的文章爆發性地發表在《自然》、《細胞》、《科學》這三大期刊上，而他本人作為領域的開拓者，并沒有被所謂的影響因子沖昏頭腦，而是繼續堅持自己小而美的研究，踏實地做著精細但并不轟動的工作——直至走到生命的盡頭。