生物钟：生命的时间守护者
生物钟，或称昼夜节律，是一种内源性的时间调控机制，其周期约为24小时。
早在1729年，科学家就发现含羞草即使在无光照条件下，仍能保持规律的运动循环，这一现象为生物钟的研究奠定了基础。
此后，生物钟的研究不断深入，直至2017年，Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash和Michael W. Young因揭示生物钟的分子机制而荣获诺贝尔生理学或医学奖。他们的研究揭示了生物钟的核心——转录-翻译反馈回路（TTFL）。
在哺乳动物中，生物钟的“总指挥官”是位于下丘脑的视交叉上核（SCN）。SCN通过神经和体液信号协调全身各个组织的生物钟，维持昼夜节律的同步性。一旦SCN受损，生物体的昼夜节律就会被打乱，而SCN则可恢复其节律。
这种生物钟的自我维持振荡活动几乎存在于每一个细胞中，许多基因的表达呈现出昼夜变化模式。
干细胞当然也不例外。
揭秘生物钟的分子机制
生物钟，这个我们身体内的“时间齿轮”，有着一套非常精密且复杂的分子机制。这套机制的核心，就是转录-翻译反馈回路（TTFL），它像是一个精心设计的时钟齿轮系统，让我们的身体能够适应24小时的昼夜变化。
在TTFL的核心回路中，有两种蛋白质扮演着“好朋友”的角色，它们就是CLOCK和BMAL1。
这两种蛋白质会结伴而行，找到Period（我们简称它为PER，有PER1、PER2、PER3三种）和Cryptochrome Circadian Regulator（我们简称它为CRY，有CRY1和CRY2两种）基因的E-box增强子元件。E-box就像是一个开关，CLOCK和BMAL1结合上去，就能启动PER和CRY基因的转录，产生PER和CRY蛋白。
接下来，这些新产生的PER和CRY蛋白就像是小使者，它们会进入细胞核，去抑制CLOCK/BMAL1的活性。
CLOCK和BMAL1激活PER和CRY的转录，然后PER和CRY又反过来抑制CLOCK/BMAL1的活性。过程如一个摇摆的跷跷板，一边上去，另一边就下来，保持着一个动态的平衡。而且，这个过程还通过一些翻译后修饰（比如磷酸化等）引入了时间延迟，让整个循环周期大约为24小时，与我们的昼夜变化相契合。
除了这个核心回路，还有一个稳定回路在起着作用。在这个回路中，CLOCK/BMAL1的活动会诱导核受体REV-ERBα/β和视黄酸相关孤儿受体（RORα/β）的表达。
REV-ERBs和RORs就像是一对竞争对手，它们都会争夺与BMAL1基因相关的DNA位点。REV-ERBs如果赢了，就会抑制BMAL1的表达；而RORs如果赢了，就会促进BMAL1的表达。它们这样相互制衡，又像是一个天平，保持着生物钟的稳定。
除了这些经典的机制，还有一些其他的修饰方式也对生物钟程序有着重要影响。比如，PER2的磷酸化就像是给它穿上了一件“盔甲”，让它更容易与CRY结合，一起进入细胞核并防止被降解。
而CKIε对PER的磷酸化则像是给PER发了一个“信号”，告诉它什么时候该进入细胞核，什么时候该被降解。另外，SUMOylation修饰BMAL1，就像是给它加了一个“加速器”，让它的转录激活和泛素依赖性降解都更加迅速。
在表观遗传层面，组蛋白甲基化就像是给基因加了一个“标记”，这个“标记”会随着昼夜变化而有节奏地出现和消失，对转录振荡器的功能至关重要。而且，科学家们还发现了非经典的生物钟途径，比如氧化还原过程。在人类红细胞（它们没有DNA）和蓝藻中，都证明了即使没有转录过程，细胞也能维持昼夜节律。在哺乳动物中，SCN组织切片中的FAD和NADP的氧化还原状态振荡就像是一个“调节器”，能调节SCN神经元的兴奋性。
看，生物钟的调控机制真真是复杂又精妙。
干细胞的“睡眠之谜”
干细胞，作为一种具有自我更新和多向分化潜能的细胞群体，是再生医学的核心资源。关于干细胞是否具有生物钟，科学界一直存在争议。
一方面，一些研究发现，在干细胞中，生物钟基因的振荡现象并不明显。例如，在小鼠干细胞的生物发光研究中，未观察到昼夜节律。
此外，将分化细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）时，昼夜振荡会被破坏。这似乎表明，生物钟调节器可能是在细胞分化过程中逐渐成熟的。胚胎状态和分化状态下，生物钟核心回路中的基因表达差异显著，这也进一步支持了干细胞可能缺乏功能性生物钟的观点。
而另一方面，许多证据又表明干细胞确实存在生物钟。大多数干细胞，如间充质干细胞（MSCs）、红细胞造血干细胞（HSCs）、肠道干细胞和生长期毛囊等，都表现出大约24小时的周期性活动。
干细胞的增殖、代谢活动以及细胞因子的释放速率都呈现出昼夜节律性。例如，干细胞的葡萄糖摄取和葡萄糖转运蛋白（GLUT）的表达存在振荡。此外，一些研究表明，即使转录生物钟基因并非细胞活动昼夜振荡的必要条件，也可能存在非经典的调控途径。
这种矛盾的研究结果使得干细胞生物钟的存在成为一个亟待解决的科学问题。
同时，研究干细胞的生物钟这件事本身也并不简单，面临着诸多挑战。干细胞的异质性就是一个“大麻烦”，不同类型的干细胞振荡模式不同，同一组织内的干细胞也处于不同的响应状态。在形态发生过程中，只有部分干细胞被激活，这就导致了处于相反时钟相位的干细胞群体共存，它们对体内平衡信号的反应也各不相同。
此外，细胞间的相互作用和微环境也会对生物钟产生重要影响，比如癌症干细胞在单层培养时往往缺乏节律。而且，干细胞在分化的不同阶段，时钟基因的振荡模式和频率也会发生变化，如神经干细胞（NSCs）在分化过程中，PER1的节律就会从高频转变为24小时的昼夜节律。
昼夜节律与疾病与干细胞
我们已经知道，生物钟与特定疾病，尤其是大脑疾病的发生发展有着千丝万缕的联系。
例如，缺血性中风在夜间发作时，由于生物钟对血脑屏障（BBB）完整性和缺氧信号的影响，缺血核心体积会比白天发作时更大。此外，丛集性头痛和阿尔茨海默病的日落综合征也都表现出昼夜变化。生物钟与疾病的关系非常复杂，既有像睡眠障碍这样直接的致病关系，也有像神经退行性疾病那样不太明确的联系。了解这些关系，有助于我们深入了解疾病的发病机制，找到潜在的治疗靶点。
那么，既然生物钟与疾病关系密切，那么我们能否利用它来提高治疗效果呢？答案是肯定的。
生物钟可以被很巧妙地用于优化某些治疗方案。许多常用药物直接作用于时钟基因的产物，根据生物钟的时间规律来优化用药方案（即时间疗法），可以显著提高治疗效果。例如，高血压在白天更为严重，所以早上服用降压药更合理。而且，肠道中流出转运蛋白的昼夜振荡会影响药物的肠吸收，进而产生药物时辰毒性。
而干细胞的生物钟是否真实存在呢？如果存在，它在干细胞治疗中又扮演着怎样的角色？
目前我们能够给出的结论是：在干细胞治疗方面，生物钟同样有着重要的应用价值。
干细胞治疗是治疗多种神经系统疾病的有前途的领域，MSCs，如脐带间充质干细胞（UC-MSCs）具有细胞替代、分泌营养因子和免疫调节等多种治疗机制。然而，干细胞的分裂周期会随着采集时间的不同而变化，这可能会影响其治疗效果。而且，干细胞治疗的时间也很关键，因为宿主的免疫活动存在昼夜变化，选择合适的治疗时间可以减少组织损伤和排斥反应。
目前，我们对干细胞生物钟的了解还只是冰山一角，需要用进一步的研究来确认干细胞中的振荡活动，阐明其潜在的分子机制和输出，比较不同时间点干细胞治疗的效果。
但至少，我们已经迈出了第一步，干细胞的睡眠模式，或许正是我们解锁再生医学潜力的关键钥匙。
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