摘要：由生物体内源性生物钟所产生的昼夜节律是近年来生命科学的研究热点之一。哺乳动物中的昼夜节律系统由位于下丘脑SCN核内的主钟和位于多数外周细胞中的子钟组成。生物钟基因及其编码的蛋白质组成反馈回路,维持振荡系统持续进行并与环境周期保持同步。光照和食物是生物钟重要的授时因子，光照刺激能引起肾上腺中基因表达变化以及糖皮质激素的分泌，而肾上腺糖皮质激素能减缓由食物因子引起的外周生物钟时相的移动。可见，肾上腺糖皮质激素与生物钟有着非常密切的关系。本文综述了两者的相互影响并对今后的研究方向做了展望。
关键词：糖皮质激素; 肾上腺; 生物钟; 生物节律

Advances in interactions between glucocorticoid hormones and circadian clock

NI Yin-Hua, WU Tao, WANG Lu, XIA Li-Qun, ZHANG Dan-Ping, FU Zheng-Wei
College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou, 310032, Zhejiang, China

Abstract: Circadian rhythm, which is internally generated by cell autonomous biological clocks, has been greatly concerned in recent years. This circadian system in mammals is composed of a master pacemaker in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus and slave clocks in most peripheral cell types. The clock genes and their coding proteins compose the feedback loops of the circadian system. Light and food are two major Zeitgebers to set circadian clocks. It has been known that light can induce clock gene expression and glucocorticoid release in the adrenal gland, while glucocorticoid can slow down the food-induced phase-shifting of peripheral circadian oscillators, suggesting that a close relationships may exist between glucocorticoid and the circadian clock. This article briefly reviews the recent progress in the interactions between them and suggests the direction of the future research.
Keyword: glucocorticoid； adrenal gland； circadian clock； biological rhythm

基金项目：浙江省自然科学基金(编号：Y204240),，浙江省新苗人才计划项目(编号：2007G60G2020059)资助[Supported by Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (NO. Y204240), Natural Science Foundation of Zhejiang Province for Distinguished Young Students (NO. 2007G60G2020059)]
作者简介：倪银华(1985—)，男，汉，浙江杭州，学生，本科在读，研究方向：生理调控。Tel：0571－88320742；E-mail：shali0145@yahoo.com.cn
通讯作者：傅正伟(1963—)，男，汉，浙江杭州，教授，博士，研究方向：生理调控。Tel：0571－88320599；E-mail：azwfu2003@yahoo.com.cn

昼夜节律是自然界最普遍的一种自然现象，它的存在使生物体的生理、生化、行为等生命现象表现为以大致24h为周期的振荡。昼夜节律发生的物质基础是分子计时器，即昼夜节律生物钟(circadian clock)。它由一组特异的核心元件组成，包括Clock、Bmal1、Pers、Crys、Tim等基因及其相关蛋白产物[1]。在高等的多细胞生物中，生物钟可以分为母钟(中枢钟)和子钟(外周生物钟)，哺乳类动物的母钟已被定位于下丘脑前部的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，由此发出的信息控制机体的行为和生理节律，包括运动、睡眠、体温和许多内分泌等全身的节律活动。子钟位于外周组织(如肝脏、心脏等)细胞内，调控效应器的节律。外源光信号的强弱变化通过视网膜-SCN-松果体之间各种信号的相互联系，形成一个统一协调的昼夜节律整体振荡系统。正常情况下，母钟可以通过各种神经信号和体液信号控制子钟，使两者的时相与外界环境保持一致，即母钟与子钟是偶联的。子钟也可能与母钟解偶联，例如在肝脏和胃中，食物的摄入就可以调节它们中的振荡子的节律[2]。在自然状态下，生物钟接受外界光-暗、食物和温度等环境信号，调整自身的时相，与外界环境保持同步[3,4]。但是，生物体内不同的生物钟受到不同环境信号的影响亦有差别，研究人员发现哺乳动物位于SCN的母钟受光-暗信号的影响比较强烈，而对食物信号的影响不敏感；相反，位于其它部位(如心脏、肝脏等)的子钟却更容易受到食物信号的影响。当环境信号发生改变时(如光-暗信号和食物信号发生不同步的变化)，生物体内部时间与外部时间信号之间就会产生时差，即生物钟的“错点”，同时生物体内部各生物钟之间也会产生时差(如母钟和子钟之间的错点)。这种时差将造成生物体内一系列生理紊乱、功能失调等不良生理反应。

1 生物节律的产生机制

生物体的昼夜节律是内在固有的，具有内源性的特征。当外界环境的节律信号消失时，机体自身的昼夜节律仍然存在，即机体表现出内在的固有的节律特征，称为自由运行节律(free running rhythm)，简称自由节律。一般来说，自由节律的周期不正好为24小时，而为24小时左右，如小鼠为23.8小时，人为24小时多一点。生物节律系统能够接受外界环境的信号，通过时相重置效应，调整内源性的生物节律，使之适应外界环境的变化。
尽管不同种属生物的节律系统的组成有很大的不同，但生物节律的产生机制却极其类似，均由一系列称为节律基因的转录和转录后调控所产生的分子振荡引起。生物节律的自律振荡由多个负反馈环组成，在昼夜振荡反馈回路中，正性成分(positive element)启动生物钟基因，使之进行表达，包括CLOCK/BMAL1等蛋白因子；负性成分(negative element)阻断正性成分的作用，使表达减弱或停止[5]，包括CRY、PER等蛋白因子。其中有两个环路是最主要的: (1)转录因子CLOCK和BMAL1通过bHLH-PAS结构域形成异二聚体，结合到节律基因Per1-3和Cry1-2上游启动子的E盒，从而激活基因转录，其表达产物PER和CRY系列蛋白从胞浆转移至核内，PER和CRY蛋白可作为负性元件，与CLOCK和/或BMAL1直接作用，抑制CLOCK-BMAL1的活性，从而抑制Per1-3和Cry1-2的转录。(2)CLOCK和BMAL1异二聚体在激活Per和Cry系列基因转录的同时，也激活孤儿核受体Rev-Erbα基因转录，其表达蛋白REV-ERBα可与Bmal1启动子结合，阻遏Bmal1的转录。由于基因转录和蛋白入核需一定时间，使生物节律分子振荡的周期正好维持在24小时左右。这种分子振荡不但使许多节律基因如Per1-3和Cry1-2等的表达呈现生物节律，而且使CLOCK和BMAL1异二聚体的转录活性也具有生物节律的特征。目前研究认为，也正是CLOCK-BMAL1异二聚体通过调节和控制下游的钟控基因(Clock controlled genes, CCGs)，使其呈现节律性表达，从而使生物节律的节律信号得以输出。

2 糖皮质激素及其生理作用

肾上腺皮质激素(adrenocortica hormones)是肾上腺皮质所分泌的激素的总称，属甾体类化合物，包括糖皮质激素和盐皮质激素等。糖皮质激素(glucocorticoids，GC)由束状带合成和分泌，有氢化可的松(hydrocortisone)和可的松(cortisone)等，其分泌和生成受促肾上腺皮质激素(ACTH)调节。正常情况下，每人每天分泌糖皮质激素的量约在10-30毫克之间，分泌进入血液中的糖皮质激素可以和糖皮质激素结合球蛋白(CBG)以及白蛋白相结合，但以与CBG结合为主。因此血液中含有结合型和游离型两种糖皮质激素，相互转化发挥着缓冲调节作用，但只有当结合型糖皮质激素转化成游离型糖皮质激素时，才能进入细胞发挥其生理效应。人体糖皮质激素分泌有明显的昼夜规律，并具有自主性，早晨8时左右，糖皮质激素分泌达到高峰，此时血液中糖皮质激素浓度最高；夜间12时左右，血液中的糖皮质激素浓度降至最低点。在机体遭受突然打击(刺激)的应激情况下，糖皮质激素分泌量可达基础值的10倍(约300毫克)以上。
糖皮质激素作用广泛而复杂，对维持机体的正常生长发育及内环境的稳定等几乎所有的生理过程都具有重要的调节作用。正常生理情况下所分泌的糖皮质激素主要影响物质代谢过程，具有调节糖、脂肪和蛋白质的生物合成和代谢的作用，超生理剂量的糖皮质激素则还有抗炎、抗免疫等药理作用。糖皮质激素广泛的生物学效应主要是由糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor, GR)介导的，它在大多数外周组织中都有表达，而在SCN中没有表达[6,7]。糖皮质激素有胞内受体(intracellular glucocorticoid receptor, iGR)和膜受体(membrane glucocorticoid receptor, mGR)两种存在形式，目前普遍认为糖皮质激素通过iGR介导的基因组机制(genomic mechanisms)发挥作用，iGR是一种配体依赖性的转录调节因子，与配体结合后，活化的iGR以同源二聚体的形式与靶基因上游调控区中的糖皮质激素反应元件(glucocorticoid response elements, GREs) 结合，通过调节靶基因的表达导致生物学效应[8]。此外，iGR还具有自身调控机制。当iGR与糖皮质激素结合后，iGRmRNA和蛋白质水平均会呈不同程度的下调；并且iGR-糖皮质激素复合物与靶基因结合后，还会导致效应细胞的核染色质结构发生变化，使靶基因GREs数目减少，从而下调iGR的DNA连接活性。此外，糖皮质激素还存在着mGR介导的非基因组机制(non-genomic
mechanisms)，业已证实，糖皮质激素介导的快速效应(如膜通道的开放等)与mGR密切相关[9]，可能是通过选择性mGR介导所产生的生理和药理作用，在行为效应、应激反应、对下丘脑-垂体的促肾上腺皮质激素分泌产生负反馈及抗过敏中起作用[ 10,11]。

3 糖皮质激素与生物钟的相互影响

3.1糖皮质激素对生物钟的影响

糖皮质激素对生物钟有着重要影响。研究表明，SCN必须周期性的调整外周生物钟，以防止肝脏、心脏、胰脏等外周组织中生物钟基因表达量的减少，但是SCN对外周组织中生物钟的调控机制目前还不清楚。机体内引起生物钟基因表达量发生变化的信号有很多，如糖皮质激素受体[12]、维甲酸受体(Retinoic acid receptor)和维甲类受体(Retinoid X receptor)、钙离子以及使激酶A、激酶C或激酶MAP活化的化学物质[13-16]，而且其中一些信号还可以引起外周生物钟基因表达时相的移动[13]。在对人的生物钟研究中发现，糖皮质激素能有效抑制SCN母钟的生物钟信号输出途径中的钟控基因AVP的表达，从而影响母钟的生物钟信号的输出[17]。不仅如此，糖皮质激素还能有效影响外周组织中生物钟基因以及钟控基因的表达[12,18]。Balsalobre研究证明，地塞米松作为糖皮质激素受体的兴奋剂，在不同时间注射可引起小鼠外周生物钟时相的前移或延后。而肝脏生物钟基因表达的时相在糖皮质激素受体缺陷型与野生型小鼠中是完全一样的[12]，这说明糖皮质激素受体并不是肝脏生物钟基因表达与SCN同步所必需的，SCN和肾上腺之间可能还存在着除了受体之外其它通路和信号调控分子。由此可知，糖皮质激素是参与内部生物钟网络调控的有效信号之一。
在小鼠实验中，将喂食时间由晚间改到白天，肝脏等外周组织中生物钟时相随之完全颠倒，但与主钟完全解耦联需要几天的时间[19]。研究发现，改变喂食时间后，外周生物钟时相的缓慢重置不是由生物钟本身的惯性引起的，而是通过与时相快速重置有关的信号(如糖皮质激素信号等)调控来实现的。在没有糖皮质激素或其受体的情况下，喂食时间的改变可以使外周生物钟的时相在较短时间内重置，例如在改成白天喂食的第二天，正常小鼠肝脏中的基因表达时相只移动了4个小时，而摘除了肾上腺的小鼠中基因表达的时相已经基本恢复过来 [20]。综上所述，糖皮质激素的作用是有效促进外周生物钟与母钟的偶联，而当外界信号干扰外周生物钟时它有效的减缓外周生物钟时相的重置速度。
糖皮质激素分泌是周期性的，它是由SCN通过下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)和其它路径[21]控制的。据报导，正常光周期下小鼠和大鼠糖皮质激素分泌量在暗明转变时最低，在明暗转变时最高[22]，因而只有一个峰。然而，改变喂食时间后，糖皮质激素的分泌有两个峰，第一个峰是受喂食时间影响的，即在白天喂食开始时（暗明转变时）出现；第二个峰与正常的分泌情况类似，也是在明暗转变时达到峰值[20]，它可能主要是由SCN控制的，因为其在外周生物钟时相几乎完全颠倒的情况下分泌时相也几乎没有改变。以上实验现象表明，外界食物信号的改变可能是通过影响糖皮质激素的分泌方式来调控外周生物钟的，即改变的食物信号引起了第一个峰的出现；而生物体内部的母钟SCN同时也在控制着各个子钟的时间，使糖皮质激素仍然保留了第二个正常峰，并使各个子钟的时间与母钟继续保持一致而不受外界干扰。由此可见，糖皮质激素分泌的这种调控方式正是SCN实现对外周生物钟控制的一种有效途径。

3.2生物钟对糖皮质激素的影响

生物钟系统功能的完整性对糖皮质激素的节律性分泌也有着重要影响。Per和Cry基因是生物钟基因中的核心基因，在负反馈环路输出的PER和CRY对维持生物钟功能是必需的。当Per和Cry或Cry基因被敲除，小鼠会立刻在行为上表现无节律变化[23-27]。基因缺陷型的Per1Brd小鼠在连续黑暗的情况下自发节律缩短，而在连续光照的情况下自发节律延长，相反，Per2Brd小鼠在连续几天的黑暗后自发节律消失，在连续光照下还有较短的自发节律。此外，Per1Brd和Per2Brd小鼠在光照刺激后时相移动方面的能力明显下降[28-31]。由此可见，Per和Cry基因对生物钟有着显著的影响，它是生物钟系统发挥作用必不可少的。
研究表明，与野生型小鼠相比，Per1Brd和Per2Brd小鼠中与HPA兴奋性有关的生理参数表现出显著的不同。通过对糖皮质激素含量的测定发现，Per1Brd小鼠中HPA的兴奋性已经明显改变，在野生型和Per2Brd小鼠中，糖皮质激素的分泌在一天中仍然保持原有的波动规律，即在黑暗之前达到峰值而在光照之前达到谷值，这种节律已经通过对血液或排泄物[32-34]的检测在很多研究中都有报导。而与此大不相同的是在Per1Brd小鼠中这种节律消失，无论在白天还是黑夜糖皮质激素的分泌都保持较高的水平。这种现象非常奇怪，因为Per1Brd小鼠在光照-黑暗交替条件下并没有反常的行为方式，而且排泄物的量与野生型和Per2Brd也无很大差别[35]。但是进一步研究表明这种节律消失的现象在Per2Brd/Cry1-/-小鼠中也存在，而其糖皮质激素分泌却持续保持在较低水平[36]。因此，糖皮质激素的分泌节律在一定程度上与生物钟的完整功能有关。

4 光照对肾上腺基因表达及糖皮质激素分泌的影响

光照是母钟最重要的授时因子，哺乳动物中，视网膜细胞接受光信号，并将之转化成神经信号传递到SCN，从而使生物钟与环境保持同步。在肾上腺中，夜间光照暴露60-120分钟后作为生物钟核心基因的Per1基因表达达到最大值，而其它内脏器官如肝脏和肾脏等器官中，Per1基因表达都没有显著的变化[37]。由此可见，在外周组织中光刺激可特异性的引起肾上腺Per1基因表达。光照还可引起肾上腺中其它很多基因表达变化。研究人员通过对持续黑暗环境中的小鼠进行强光刺激，一个小时后用DNA芯片技术检测肾上腺中的基因表达情况，发现有156个基因表达上调，39个基因表达下调，表达量至少发生1.4倍的变化，而且大量基因（包括很多生物钟基因）表达主要发生在皮质层[37]。光照的影响还表现在肾上腺交感神经的兴奋上，在夜间进行白光刺激后肾上腺交感神经兴奋增强，在60-120分钟后达到峰值，并且随光照强度的不同而不同；而在白天进行同样的光照刺激几乎没有效果。
同时，光照刺激也可以改变糖皮质激素短期内的分泌量，而且这种分泌量的增加不是由于促肾上腺皮质激素分泌量增加引起的。肾上腺处于激素调控和神经调控的交接点，接受来自下丘脑－垂体－肾上腺轴的促肾上腺皮质激素的刺激和内脏器官神经的交感神经节前调控，节律性的分泌糖皮质激素。在小鼠实验中，通过对光照刺激后血液中糖皮质激素和促肾上腺皮质激素含量的检测发现，糖皮质激素在光照刺激后最初的30分钟内几乎没有改变，但是60-120分钟时显著上升，在180分钟后恢复到基础水平。这种激素水平的升高不是由于糖皮质激素周期分泌影响的，因为研究人员发现在光照刺激后60分钟血液中糖皮质激素的含量是正常情况下的4倍左右，而促肾上腺皮质激素水平在整个过程中几乎没有变化[37]。另外通过对动物进行强制游泳后发现，糖皮质激素和促肾上腺皮质激素的分泌量都迅速上升，此时，糖皮质激素分泌突然增加是由促肾上腺皮质激素引起的。因而两种情况下，糖皮质激素的水平的上升是受不同机制调控的，光照引起的糖皮质激素分泌量增加可能是受生物钟系统调控的。
研究表明，肾上腺交感神经的兴奋增强与糖皮质激素的分泌增加在时间上的一致性说明肾上腺对光照的反应可能是经过SCN-交感神经系统的[37,38]。根据以上实验结果，产生上述现象的原因可能是光照刺激使SCN中的生物钟基因表达时相发生移动，造成母钟与子钟的“错点”。然后，SCN可能首先通过交感神经信号使肾上腺皮质内的生物钟基因表达发生变化，即SCN首先与肾上腺生物钟耦联。这就造成了光照刺激后短时间内Per基因在肾上腺中的表达量升高，而在其它外周组织中没有显著变化。肾上腺生物钟的基因表达引起了糖皮质激素短期内的分泌发生变化，这种糖皮质激素信号的改变随后作用于其它外周组织，使它们与SCN保持时相同步。

5 光照、食物、糖皮质激素和生物钟之间的相互关系

在正常情况下，外源光信号通过视网膜传递到SCN，调节SCN的时相，然后SCN通过神经和体液信号传递到外周组织，使之保持同步偶联；而当食物信号发生异常改变时，可引起外周生物钟和SCN母钟的解偶联。肾上腺糖皮质激素作为体内母钟调控子钟的有效信号之一，在正常情况下它促进了母钟与子钟的偶联；在食物信号发生异常的变化时，它能有效减缓外周生物钟与母钟解偶联的速度。然而，其具体调控机制以及各种神经和体液信号在此过程中的作用尚不明了，有待进一步的研究阐明。

6 结束语与展望

随着科学科技的进步，对生物钟的研究也越来越深入，但是由于其分子机制相当复杂，完全解明其调控机制还有待于更进一步的研究，而且生物钟对全身各系统的功能都会产生影响，但是其影响方式及途径亦不十分清楚。肾上腺是机体中非常重要的腺体，它产生的各种激素对维持机体内环境的稳定，促进机体生长发育等方面都起着重要作用，其分泌的糖皮质激素不仅在生物合成和代谢过程中起着重要作用，而且还有抗炎、抗免疫、抗休克等药理作用。糖皮质激素在参与体内生物钟调控方面的作用是近年来研究的最新热点，本文概述了糖皮质激素在调控外周生物钟的基因表达、作用途径及其自身的分泌调控方式等方面的研究进展，这不仅有助于进一步阐明体内生物钟网络的调控机制，而且为将来在生物钟紊乱治疗方面的研究提供了新的方向。