熬夜為什麼對健康不好? 諾貝爾獎得主研究破解生物時鐘秘密

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諮詢/張芳嘉(臺灣大學獸醫學系暨研究所教授、台灣睡眠醫學會常務監事)

撰稿/黃靜宜

2017年獲得諾貝爾生醫獎的三位學者分別是任教於美國Brandeis University的傑弗里.霍爾(Jeffrey C. Hall)、麥可.羅斯巴什(Michael Rosbash),以及任教於Rockefeller University的麥可.楊(Michael W. Young)。他們從果蠅身上發現控制節律週期的關鍵基因及其分子機制,而此一機制在哺乳類動物包括人身上也有類似的發現。節律週期能使生物預測日夜週期,以期達到生物體最佳的生理及行為功能。

從果蠅研究找到關鍵基因

事實上,早在1971年,美國加州理工學院的班瑟(Seymour Benzer)和他的學生科諾卡(Ronald Konopka),就已經從基因突變的果蠅中發現其中一個突變會造成果蠅無節律性,一個突變造成19小時的短節律週期,另一個突變造成28小時的長節律週期,這意味著基因與節律週期有關,他們粗略的找到突變基因是在果蠅的X 染色體上。

Hall、Rosbash和Young根據上述研究,進一步找到這個調控果蠅節律週期的關鍵基因,命名為 period(簡稱per),後來又發現許多跟節律調控有關的基因及蛋白質,包括 period基因(PER蛋白)、timeless基因(TIM蛋白)、Clock基因(CLK蛋白)和 cycle 基因(CYC蛋白),這些基因及蛋白質構成「轉錄—轉譯回饋迴路」(the transcription-translation feedback loop,TTFL),解開了生物時鐘如何運作之謎。

受到光線影響 人體生物時鐘一天週期為24小時

前面提到,如果把人關在一個暗不見天日的密室裡,因為有內建的生物時鐘,所以一天生活的週期仍接近24小時,但確切來說是24.5小時,每天會比地球自轉一周多半小時,所以一、兩週後,這個人就會完全日夜顛倒。

現今人們的作息之所以跟地球的日夜週期一樣,大致維持「日出而作、日落而息」,一天24小時的型態,關鍵就在於有光線(陽光)的影響。因為後來科學家又發現,雖然人體生物時鐘可以在沒有外界刺激下獨立運作,但光線卻可以用來同步化(entrain)人體內建的生物時鐘與環境的週期,讓人符合24小時的節律。除了光源,手錶、外在環境(聽到雞叫聲、鳥叫聲等),也會刺激人體生物時鐘去符合24小時的規律。

中樞與周邊的節律週期亦需配合

此外,節律週期的調控中心存在於大腦的下視丘的視交叉上核(suprachiasmatic nucleus;SCN),但是節律週期存在於中樞(大腦)以及周邊(大腦以外的器官與身體),若是中樞的生物時鐘與周邊的生物時鐘未能同步化,就會產生許多問題。

舉例而言,旅行到不同國家時會產生時差,通常兩、三天可調過來,但即使大腦調過來了,有時候身體還是覺得疲累;或是雖然醒了,但卻沒胃口吃不下早餐,這是因為中樞和周邊的生物時鐘不同步的結果。

大腦的生物時鐘調控中心位在下視丘,比較容易受到陽光的影響而調整過來,但周邊怎麼樣同步化?多久可以同步化?同步化的機轉又是什麼?仍有許多未解之謎尚待研究。

有趣的是,周邊也有生理時鐘這個概念,其實傳統中醫理論也有。中醫認為人體的臟腑與經絡與十二時辰是相對應的,每個臟腑或經絡都有其運作最順暢的時辰,所以要「順時養生」。

生物時鐘與外在環境不配合 恐致睡眠障礙等多種疾病

生物時鐘的重要性不是只有影響睡眠,還會影響我們很多的生理反應,例如:進食行為、認知行為、荷爾蒙的釋放調控、體溫的調控、血糖的控制、以及代謝的調控等。因此,若長期的生活習慣與生物時鐘錯位,不只會造成睡眠障礙,也可能會增加罹患癌症、神經退化性疾病(如癲癇、帕金森氏症)、代謝性疾病(如糖尿病)、以及發炎、感染的風險。所以就睡眠這件事來說,內在的生物時鐘最好與外在的環境配合,也就是說,天亮了,起床;天黑了,入睡,才符合人體與自然的節律,若兩者無法配合,就可能產生睡眠障礙;像熬夜或輪夜班違反日夜節律,長此以往,對健康自然不利。

圖說:

1、麥可.楊(Michael W. Young)

young postcard

2、麥可.羅斯巴什(Michael Rosbash)

rosbash postcard

3、傑弗里.霍爾(Jeffrey C. Hall)

5-hall postcard

圖片來源:https://www.nobelprize.org

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張芳嘉

(臺灣大學獸醫學系暨研究所教授、台灣睡眠醫學會常務監事)