撰文 | Qi

責編 | 酶美

晝夜節律（circadian rhythms）是生物體內生化、生理和行為功能的內在週期振盪，也是真核生物生命中幾乎無處不在的特徵，生物鐘在大多數生命形式中的普遍性存在強烈地表明它具備選擇優勢。透過比較晝夜節律紊亂與正常的果蠅和小鼠的存活率，可以發現生物鐘缺陷與生存機率降低有關，這使晝夜節律失調會引起疾病的假設得以提出。

生物鐘功能紊亂也與多種人類疾病狀態相關，包括時差反應和睡眠紊亂，可能對代謝綜合徵的發展有重要作用。先前的動物研究表明，透過紫外線輻射導致面板癌的過程中也存在強烈的晝夜節律，移植到節律紊亂的動物體內的腫瘤比移植到對照組動物體內的腫瘤生長得更快，以及對缺乏特定生物鐘基因的小鼠進行的研究顯示，某些生物鐘基因和某些腫瘤的發生率增加相關，而其他生物鐘基因卻與之相反。同樣，人們對化療的反應也會隨著時間的變化而變化，這就導致了人們期待透過節律化療（chronochemotherapy）來提高癌症治療的療效，同時限制其毒性。然而，與傳統的時間化療相比，時間化療的臨床試驗通常沒有顯示出更好的效果，甚至在患者中引起更差的結局。

2021年1月1日，來自美國北卡羅萊納大學醫學院的Aziz Sancar課題組和來自美國華盛頓大學醫學院的Russell N. Van Gelder課題組在Science雜誌上合作發表了一篇題為 Clocks, cancer, and chronochemotherapy 的綜述，在這篇文章中，作者系統地回顧了生物鐘擾亂對人類健康影響的研究現狀，特別是在癌症方面，並描述了現階段透過時辰化療治療癌症所獲成果及未來努力的方向。

哺乳動物的生物鐘在分子水平上由延遲轉錄-翻譯反饋迴路（time-delayed transcription-translation feedback loop, TTFL）構成，BMAL1和CLOCK（或其同源NPAS2）構成啟用臂，而隱色素（cryptochrome，CRY1和CRY2）和PER（PER1、PER2和PER3）構成TTFL的抑制臂（見下圖1）。這種初級TTFL由核受體REV-ERBα和視黃酸受體相關孤兒受體α（RORA）組成的次級環鞏固，染色質構象、組蛋白乙醯化和RNA聚合酶II結合的晝夜節律賦予許多基因以晝夜節律。在人類和小鼠中，50%到80%的蛋白質編碼基因是由生物鐘控制的，其中包括一些對細胞分裂時序至關重要的基因，因此，晝夜節律紊亂可能導致細胞分裂失調，這同樣也是癌症的重要標誌。

圖1. 哺乳動物生物鐘調控的分子機制

1晝夜節律紊亂與疾病發生

體內生物鐘和外部的地球物理時鐘之間的不同步會導致出現至少三種病理狀況，分別是時差反應、睡眠相位綜合徵和代謝綜合徵。

時差反應的產生是因為核心生物鐘振盪器必不可少的生物鐘基因的節律性表達無法迅速適應因快速旅行而引起的生物鐘相位變化，通常表現出疲倦、易怒、智力減退、睡眠紊亂和胃腸道症狀等短暫症狀，而一種稱為輪班工作障礙的相關疾病也是一種慢性時差反應，長期的晝夜迴圈和工作時間的不同步會對健康產生更深遠的影響。

睡眠相位綜合徵是指睡眠-覺醒週期相對於明暗週期提前或延遲的情況。家族形式的睡眠相位前移（advanced sleep phase, ASP）和睡眠相位後移（delayed sleep phase, DSP）與核心生物鐘基因的多型性相關。人類Per2、Per3、Cry2、Timeless和CK1δ激酶的突變與ASP的遺傳形式有關，而DSP主要與Cry1、Per2和Per3的多型性有關。到目前為止，這些研究資料提供了最直接的證據表明生物鐘紊亂與人類疾病有關。

代謝綜合徵的症狀主要包括高血糖、高膽固醇和肥胖，從而導致糖尿病、心臟病和中風。流行病學研究表明輪班工作是代謝綜合徵的重要危險因素，而食物攝入時序被認為是這種關係的基礎機制。這些流行病學發現得到了動物研究的支援，即餵食高脂肪食物並允許隨意進食的小鼠會出現代謝綜合徵，而給定進食時間限制的小鼠則不會。

然而，在試圖將生物鐘功能與生理失調聯絡起來時，需要注意所有生物鐘缺陷動物的表型並非完全對等。例如，Bmal1和clock缺陷小鼠的壽命顯著縮短（>15%），而mCry1/2和mPer1/2缺陷小鼠的壽命正常。關於不同的核心生物鐘基因具有不同的無效表型可能存在兩個解釋：首先，作為轉錄因子，每個晝夜節律蛋白都有可能是非晝夜節律的特定靶點，在突變時會導致明顯的多效性；其次，不同敲除引起的改變可能是不同的，例如，Bmal1基因缺失的動物可能會使某種基因處於長期低表達狀態，而mCry1/2突變體可能導致相同轉錄物的高表達。因此，從任何一種生物鐘核心基因敲除動物的實驗結果中推斷出生物鐘在所觀察到的生理功能障礙中的作用是一項具有挑戰性的工作。儘管如此，還是可以得出生物鐘與代謝綜合徵以及相關病理學之間存在一定的機制聯絡。

2晝夜節律紊亂與癌症發生

2.1流行病學和遺傳學研究

世界衛生組織國際癌症研究機構（IARC）2007年的一篇文章提出，夜班工作可能作為致癌因素，尤其對於乳腺癌，該組織在2019年重新評估這一觀點，並得出相同結論。然而，其他一些流行病學家卻認為夜班或輪班工作引起的晝夜節律紊亂並不會致癌。一些全基因組關聯研究已經在為人類生物鐘基因多型性影響癌症發病率尋找證據。最近兩項meta分析提出乳腺癌與晝夜節律基因NPAS2、CLOCK、RORA、RORB和PER3在統計學意義上的關聯性，然而這些等位基因單獨產生的相對風險很少大於0.1。值得注意的是，一項對多種腫瘤中生物鐘基因的表達和突變進行的大規模系統分析表明，大多數核心生物鐘基因在個別腫瘤型別中存在表達失調，個別生物鐘基因在特定癌症中發生多重突變，且生物鐘基因突變個體的存活率略有下降。雖然這項分析只能確定相關性而非因果關係，但總的來說與假設一致，即特定的晝夜節律紊亂是癌症的一個共同特徵，可能有助於理解發病機制。

視交叉上核（suprachiasmatic nuclei, SCN）是哺乳動物所謂的主要晝夜節律起搏器，在SCN受損的小鼠中，格拉斯哥骨肉瘤和胰腺癌異種移植瘤的生長速度均明顯加快。此外，其他研究也清楚地顯示了晝夜變化與致癌風險的關係。例如，與4:00 p.m.暴露在紫外線下的小鼠相比，4:00 a.m.暴露於紫外線的小鼠，其潛伏期縮短且面板癌的多重性增加了大約5倍。

然而，得出一致結論並非那麼簡單。據報道，Per2基因無效突變使小鼠易患自發和電離輻射（IR）誘發的癌症，這項研究被認為是IARC在其2007年的文章中提出的生物鐘擾亂致癌的有力證據。而唯一一項試圖重現這一發現的已發表的研究結論是，Per1或Per2基因敲除小鼠的晝夜節律紊亂並不會使動物易患自發性或IR誘發的癌症。此外，還有研究發現其他核心生物鐘基因如clock、Bmal1和Cry1/2的無效突變也並非固有致癌基因。Cry1/2-/-基因型延遲了p53-/-小鼠的腫瘤發生，透過促進轉化細胞的凋亡將這些動物的壽命延長約50%。而每一組基因突變都會導致小鼠晝夜節律失常，因此，並不能得出普遍性結論，即生物鐘缺陷會增加自發性腫瘤的發生率。

2.2生物鐘對DNA損傷反應的影響

大多數癌症往往是由DNA損傷引起的。有研究表明，晝夜節律功能的喪失能使組織對DNA損傷誘導的腫瘤形成具有抵抗力，例如純合子Clock突變透過下調錶皮生長因子受體（EGFR）介導的Ras啟用，使小鼠對DMBA誘發的面板癌產生抵抗力。然而，與野生型小鼠相比，強效的DNA損傷劑二乙基亞硝胺使Cry1/2-/-小鼠膽管癌的特異性增加了8倍。因此，並不能得出一般性結論，即生物鐘缺陷會導致致癌DNA損傷效果增強，在不同細胞型別中，DNA損傷劑和生物鐘特定成分之間似乎存在著某種特定的關係。生物鐘除了在DNA損傷形成水平上發揮作用外，還可能調節DNA修復、DNA損傷檢查點以及細胞凋亡和衰老等過程。

DNA修復：在五種DNA修復機制中，包括直接修復、鹼基切除修復、核苷酸切除修復、雙鏈斷裂或交聯修復和錯配修復，其中，核苷酸切除修復在晝夜節律相關研究中最為深入。核苷酸切除修復主要用於致癌的紫外線和吸菸造成的DNA損傷，以及抗癌藥物順鉑引起的損傷。切除修復活動主要透過兩種機制受到生物鐘控制，首先，組成性修復因子XPA是由生物鐘控制的；其次，單個基因轉錄的晝夜節律也驅動節律性修復，因為RNA聚合酶II轉錄的基因的轉錄鏈（TS）比非轉錄鏈（NTS）優先透過轉錄偶聯修復（TCR）進行修復。因此，小鼠組織中順鉑損傷Pt-d（GpG）的修復受兩個晝夜節律程式的控制，一個是總體修復（非轉錄的DNA和RNA聚合酶II轉錄基因的NTS），峰值出現在“Zeitbeger time（ZT）”10（~5:00 p.m.），另一個是TS在特定基因轉錄時的TCR。因此，瞭解生物鐘對與切除修復相關的致癌性的影響是複雜的。

圖2. DNA切除修復的晝夜節律控制

DNA損傷檢查點：特定的生化途徑可以延緩細胞週期的程序，以應對DNA損傷，在形式上定義為細胞週期中的G1-S、intra-S、S-M和G2-M檢查點。這些細胞狀態的轉變是由ATR和ATM損傷敏感的頂端激酶控制的，它們透過效應器激酶啟用訊號轉導通路，使靶蛋白磷酸化，並延緩細胞週期程序，以應對DNA損傷。生物鐘透過兩種機制影響DNA損傷檢查點：（1）透過調節檢查點或細胞週期蛋白（包括參與G1-S轉換的p20、p21和NONO）的表達；（2）透過生物鐘蛋白直接與檢查點蛋白相互作用來改變其活性。人類TIMELESS結合CRY2和ATR-ATRIP頂端激酶並調節下游CHK1激酶的活性。以類似的方式，已經證明CRY1也透過與TIMELESS相互作用來調節ATR-ATRIP激酶的活性，並賦予靶蛋白CHK1和p53磷酸化的晝夜模式。值得注意的是，一項研究提出PER1可以透過結合下面兩種蛋白參與ATM→CHK2訊號通路，並促進CHK2磷酸化，從而促進細胞凋亡。相反，另一項研究表明Per1在肝和胰腺腫瘤中具有抗凋亡作用。因此，這個問題仍有待探討，並可能再次反映個別生物鐘組分的組織特異性功能。

細胞凋亡和衰老：此外，儘管細胞凋亡和衰老這兩種途徑有著不同的生化機制，但它們在透過細胞死亡或退出細胞週期來阻止癌細胞增殖方面可能發揮著相似的作用。對於凋亡而言，尚未檢測到生物鐘基因對凋亡的影響；然而在轉化細胞中，Cry1/2-/-突變透過增加p53家族成員p73的表達來增強細胞凋亡途徑以響應UV或順鉑。對於衰老而言，小鼠Bmal1突變最顯著的特徵之一是早期衰老表型和壽命縮短。然而，這種效應可能僅僅特定於Bmal1基因，因為當檢測Ras轉化的Cry1/2-/-細胞的衰老時，未檢測到任何影響。

2.3癌基因和抑癌基因與晝夜節律的關聯性

生物鐘與Myc：c-Myc基因通常在近50%的人類癌症中發生失調。因為E-box序列（CACGTG）是CLOCK-NPAS2-BMAL1複合物的靶點，也是MYC結合位點，因此可以預期控制MYC的細胞增殖和控制晝夜節律的TTFL會存在交集。截至目前，已經確定了幾個兩者之間的交集：（1）核心生物鐘基因似乎調控MYC的表達。CRY2與小鼠磷酸化的MYC結合，招募SCFFBXL3-E3連線酶，促進其泛素化和降解。因此，在缺乏CRY2的情況下，MYC不能泛素化，從而增加淋巴瘤的發病率；（2）MYC似乎可以破壞TTFL，MYC結合Nr1d1 E-box並上調Nr1d1轉錄。NR1D1蛋白與Bmal1啟動子中的ROR元件結合並抑制其轉錄，從而導致Bmal1下調，引起整體生物鐘失調。除了透過MYC→NR1D1→BMAL1引起生物鐘失調外，還有研究證明MYC以MYC-MIZ1異二聚體的形式與核心生物鐘基因BMAL1和Clock的啟動子結合，下調它們的表達，從而破壞生物鐘。

MYC失調在淋巴增生性癌症中很常見。在低風險和進展緩慢的慢性淋巴細胞白血病（CLL）中，CRY1的表達被異常的CpG高甲基化所抑制，Cry1啟動子的甲基化狀態可以作為一個積極的預後指標。而 Clock 和 Bmal1 對急性髓細胞白血病（AML）幹細胞的維持是必需的，Clock 和 Bmal1 的下調均能抑制白血病的發生。這些關於CLL和AML的發現揭示了透過抑制負臂（Cry1和Per2）或正臂（Clock和Bmal1）來進行生物鐘干擾，可以抑制而不是促進癌變。總的來說，來自MYC和淋巴增殖性癌症研究的資料表明，相同的生物鐘成分可能會加速腫瘤的進展或抑制腫瘤的發生，這取決於所涉及的組織或細胞型別和特定的生物鐘基因。

圖3. 生物鐘成分基因與c-Myc癌基因之間的相互作用

生物鐘與p53：p53與生物鐘之間也有複雜的關係，一項研究發現Per2突變小鼠由於p53蛋白下調而易患IR誘導的癌症，但隨後的研究表明無論Per1-/-或Per2-/-突變小鼠都不易患IR誘導的癌症。此外，p53-/-小鼠易患癌症，通常在3個月後發生淋巴瘤或淋巴瘤，出生後6個月內死亡。當p53突變與低外顯率的原癌基因突變結合時，死亡率加快，然而，當Cry1/2-/-突變與p53-/-結合時，沒有檢測到這種效應；相反，p53-/-Cry1/2-/-小鼠的壽命比p53-/-小鼠延長50%，這可以聯絡Cry1的下調對CLL的影響以及Clock或Bmal1的下調對AML的影響。鑑於這些結果的複雜性，可以得出結論，Cry和Per基因不能歸類為一般的腫瘤抑制因子，另外，就像MYC的情況一樣，生物鐘可以影響癌基因，反過來癌基因也可以影響生物鐘功能。p53透過與Per2啟動子中E-box重疊的p53反應元件對Per2轉錄的影響來調節生物鐘。因此，p53-/-小鼠對光脈衝存在週期短以及異常的相移反應，以及晝夜節律不穩定的情況。

生物鐘與Ras：在一個用於研究晝夜節律紊亂-癌症聯絡的創新模型中，K-ras和p53在肺部區域性缺失，且小鼠受到慢性時差或Per2或Bmal1突變的影響。在這些條件下，腫瘤的發生率和進展速度均發生小幅增長，生物鐘基因擾動導致c-MYC表達增加，細胞增殖增強。與MYC和p53一樣，Ras也可以調節晝夜節律，即Ras在野生型細胞中的過度表達導致晝夜節律延長和細胞衰老。

3時辰化療chronochemotherapy

時辰化療是指在生理節律的適當階段給藥，以達到最佳療效。採用這種方法主要是由於：（1）一種藥劑的功效可能隨著一天中的時間而變化，這取決於它的作用機制；（2）藥物的藥代動力學和代謝可能隨晝夜節律變化；（3）藥劑的毒性也可能隨一天的時間而變化。儘管時辰療法已經在某些病理條件下開展臨床應用，如哮喘、高血壓和心血管疾病，但還未產生足夠一致性的結論來證明用於癌症治療是可行的。在一項聲稱時辰化療對卵巢癌有實質性效果的小型研究中觀察到的結果並沒有在隨後的更大的研究中得以重現。同樣，歐洲一項關於大腸癌時辰化療的研究提出“研究人群的時間療法總體上沒有任何增益效果”，然而，與傳統治療方案相比，能夠發現對男性存在明顯有利的趨勢，但接受此療法的婦女死亡率增加了38%。這一療法可能對特定人群有害這一事實是一個重要發現，在未來實驗設計中要多加考慮。

總的來說，現有資料並不支援時辰療法對任何形式的癌症治療存在增益效果。為了實現這種方法在癌症治療中的潛力，需要一種完善的基於機制的方案，能協調特定藥物靶點的最佳晝夜節律、藥物的有效性和代謝以及藥物毒性。對於臨床應用，除了考慮正常組織基因組的晝夜修復模式外，還需要特定癌症組織基因組的高解析度修復圖譜來確定優先殺死癌細胞的最佳時機。確定腫瘤與正常組織之間的晝夜節律關係對於開發真正有效的時辰療法而言至關重要，而實現這一目標的一個主要挑戰是開發非侵入性方法來評估癌症的晝夜節律引數。

4結論和展望

腫瘤的發生明顯受到晝夜節律機制的影響，但生物鐘基因是一般腫瘤抑制因子的假說並不成立。確切地說，特定腫瘤及其潛在機制受到特定生物鐘基因功能的不同影響。相反，特定的癌基因可能導致腫瘤的晝夜節律紊亂，腫瘤中失調的生物鐘的致病意義也尚未完全瞭解。DNA核苷酸切除修復的晝夜節律控制的例子說明了在臨床上利用生物鐘和癌症之間的相互作用的挑戰，因為每個基因對DNA損傷的晝夜易感性階段根據其潛在的轉錄節律而不同。雖然時辰療法的概念很吸引人，但生物鐘-癌症相互作用的複雜性使得預測給藥時間十分具有挑戰性。隨著化療藥物特異性的增加，通過了解生物鐘機制與治療靶點之間的特定相互作用，也能夠更好地理解和最佳化給藥的晝夜效應。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb0738

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