雄鸡报晓，蜘蛛半夜结网，向日葵在清晨开放……自然界所有生物的生命活动都存在节律现象，与地球24小时的自转周期保持同步对于生物维持健康的生理状态至关重要。经过长时间的研究，人们发现，其实生物的节律与基因密切相关，2017年的诺贝尔生理或医学奖就被奖励给了三位研究节律相关基因的科学家。
现代社会压力使人类的作息时间很难严格遵循于体内的生物钟。加班、轮班，频繁地跨越时区，熬夜玩手机等等，越来越多人都面临着生物钟紊乱的困扰，因此研究节律对于现代与未来的社会有着非同寻常的意义。
我们都知道经常熬夜，生活不规律的人经常会出现很多精神问题，诸如脾气暴躁、社交障碍等等，然而传统上基于小鼠等动物模型的研究很难如实反映这些症状。但由于之前上对非人灵长类的基因编辑非常困难，因此对节律在这方面的研究也长期进展缓慢。
为此，中国科学院神经科学研究所的生物节律与衰老疾病研究组和非人灵长类研究平台经过三年努力，利用基因编辑技术（CRISPR／Cas9），成功构建了世界首例核心节律基因BMAL1敲除食蟹猴模型，仔细验证后发现了敲除猴模型存在昼夜节律紊乱，并表现出类似精神分裂症的症状。
该项成果1月24日在线发表在《国家科学评论》上，该研究基于昼行性的非人灵长类动物模型，将生物节律与睡眠问题、精神疾病、免疫炎症反应、早衰等重大疾病联系起来，既可为开发这些疾病的治疗手段提供稳固可靠的理论基础，又可将其与临床相结合寻求对人类更精准有效的干预方法。论文共同通讯作者为中国科学院神经科学研究所张洪钧研究员、孙强研究员。
昼夜节律（生物钟）调节人体诸多行为
哺乳动物的生物钟包括中枢生物钟和外周组织生物钟。大脑的生物钟不仅调控着我们睡眠－觉醒周期，也调节着诸多行为，包括学习、奖赏和神经发生。外周生物钟受到中枢生物钟调控，同时也受进食、温度等因素的影响。衰老、长期熬夜、时差、肥胖或癌症等原因可能会导致外周生物钟与中枢生物钟不同步。昼夜节律紊乱与代谢综合征、自身免疫、神经退行性疾病和癌症等疾病密切相关。
在哺乳动物的大脑中有一个控制生物节律的“起搏器”，它是位于下丘脑的视交叉上核。视交叉上核根据自然界光－暗周期调控生理和活动节律，并能通过激素和神经信号调节外周生物钟，损毁视交叉上核的动物昼夜节律会完全消失。这个“起搏器”则是通过一系列节律基因调控昼夜节律，这些核心节律基因之一便是BMAL1。
BMAL1蛋白会与另一个蛋白CLOCK形成异二聚体，并与其他节律相关基因结合，启动这些基因的表达。随着这些基因的表达产物逐渐增多，它们将进入细胞核中，反过来抑制异二聚体的作用。如此循环，使基因的转录水平呈现出24小时的振荡周期。就是利用类似这样原理的通路，我们的大脑才能有一个自发的24小时生物周期。
相对于小鼠的昼伏夜出和大脑结构，猕猴更适合作为节律研究模型
大多数节律研究都是以小鼠为模式动物，可以用来深入探究节律的分子机制，但在转化应用方面，小鼠作为与人类相反的夜行性动物显然不是特别合适。于是该研究团队想到了在进化上与人类相近的非人灵长类，猕猴除了具有昼行性这一特性，在脑结构和功能上与人类高度相似，可以用来研究脑疾病和高级认知功能。随着近年来神经所新开发的缩短猴生殖周期技术的不断优化，以及体细胞克隆猴的实现，弥补了猕猴繁殖周期长，单胎数量少的不足，可以构建出足够数目的具有统一遗传背景的动物模型。
BMAL1敲除猴表现出节律活动异常和睡眠紊乱
其实在2015年底，神经所科研团队就曾经利用基因编辑技术（CRISPR／Cas9），针对核心节律基因BMAL1进行基因编辑，并在2016年中旬顺利出生了八只小猴。
那么这些猴子有没有表现出周期紊乱的症状呢？
为此等到半年后小猴断奶，研究人员就从多个方面开始观察敲除猴的生物节律。研究人员给猴子们佩戴了“小米手环”，可以随时监测到它们的昼夜活动情况，发现敲除猴并未按照24小时的周期活动，在夜间活动明显增多，这说明敲除猴可能出现了失眠的问题。于是研究人员通过手术，在猴子背部皮下埋入记录脑电和肌电的植入子，分析其睡眠周期发现敲除猴的快速眼动睡眠（REM，浅睡期）和慢波睡眠（NREM，熟睡期）明显减少。有趣的一点是，Bmal1敲除小鼠的睡眠相比正常对照则是增多的，这也进一步提示了非人灵长类在脑疾病研究上的优势所在。在另一方面，研究人员通过搜集连续两天多个时间点的血液样本，对那些受节律调节的神经内分泌激素水平进行测定，发现帮助进入睡眠的褪黑素在敲除猴中分泌较少。同时还进行了基因表达谱分析，发现敲除猴的大多数节律基因表达异常，还有很多与睡眠剥夺，抑郁症以及衰老等相关的基因上调。
节律紊乱猴的精神症状
当然，之所以如此大费周章构建基因敲除猴，研究者最期望的就是在这些猴身上找到节律紊乱者的精神症状，这些才是非人灵长类较之小鼠等实验动物的真正优势。
节律紊乱往往伴随着神经退行性疾病的发生，神经退行性疾病患者往往会遭受各种各样的睡眠问题，包括失眠、睡眠中断、日间过度嗜睡，继而出现睡梦中运动，白天与人交流出现障碍等等。但在之前，人们一直不太清楚这些究竟是睡眠紊乱的直接后果，还是长期失眠或服药的副作用。
从本次的研究可以看到，猴子表现出怕人，避免与人对视等等精神问题，而这些症状是以前在小鼠身上很难探测到的。
此外，有很多研究表明律紊乱或睡眠障碍还是一些精神疾病，如双相情感障碍，抑郁症，自闭症谱系障碍的早期症状。但是之前我们很难认定一只小鼠有抑郁或是双相情感障碍之类的问题，而这在灵长类身上就很明显了。研究人员在血液检测中发现与压力应激相关的皮质醇在敲除猴的血液中一直处于高水平，这让他们联想到敲除猴在与人接触时极度紧张的反应。当有人靠近敲除猴时，它会双手抱住头部，蜷缩在角落里，不敢活动。如果将敲除猴放入一个新环境中，它也不能很快地适应，不敢像正常猴那样在环境中自由探索。
此外研究人员给猴子们做了一个经典的听觉刺激实验，在给出的一连串规律的声音中随机插入特殊的声音，记录猴子听到声音时的脑电，发现敲除猴大脑在识别和反应这些特殊事件的能力上不如正常猴，这与精神分裂患者的情况类似。
非人灵长类的节律紊乱模型有望给节律研究带来新的突破，我们在非人灵长类模型制备技术上的领先将转化为整体基础科研，尤其是神经科学研究走向世界前列的历史机遇。
文章共同第一作者为中国科学院神经科学研究所的研究实习员仇佩缘、姜建博士和刘真研究员。中国科学院上海营养与健康研究院研究所的黄涛和唐芸棋研究员也参与了该工作。研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项“脑认知与类脑前沿研究”， 上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”，及上海市定向征集项目“脑神经联接图谱研究”的支持。（作者：中国科学院神经科学研究所仇佩缘、唐骋）
