研究人員鑒別出了跨越生命所有三個領域的首個保守的生物鐘元件。

許多的生物體呈現出晝夜節律——調控每日新陳代謝、生理學和行為改變的內部生物鐘。但是從真菌、果蠅到人類，在物種間還沒有發現有共同的生物鐘基因或蛋白。在新研究中，研究人員首次鑒別出了在細菌、古細菌（archaea）和真核生物（eukaryotes）的晝夜節律中活躍的一個代謝蛋白。

這一研究發現發布在5月16日的《自然》（Nature）雜志上，表明與此前的觀點相反，晝夜時鐘可能享有一個共同的祖先。此外，由于這一清除活性氧的代謝蛋白發生了周期性的改變，作者們認為在25億年前對于大氣中氧聚集的傳感和反應有可能驅動了晝夜節律的進化。

“最厲害的是它表明不知何故所有這些生物體都具有從前不明顯的代謝晝夜節律，”俄勒岡州立大學生物學家P. Andrew Karplus（沒有參與這一研究）說。不過，他指出盡管鑒別的蛋白是代謝晝夜節律的一個有力標志物，但是沒有證據表明它是這種節律的原因。最大的問題是這一節律的起源是什么？它是如何發生的？

在過去的20年里，研究人員主要通過研究果蠅確確定了大量的基因和蛋白質提供給共同模式：一個轉錄-翻譯反饋回路，憑借它基因被轉錄然后翻譯為蛋白質，然后累積直至它們達到能夠觸發轉錄關閉的閾值，所有都發生在大約24小時的周期內。這一模型已經成為了晝夜節律研究的基礎。

然而在去年，英國劍橋大學的Akhilesh Reddy和同事們證實這一晝夜生物鐘機器至少有一個組件與轉錄無關——一個稱為過氧化物酶（peroxiredoxin）蛋白的抗氧化劑家族，它可以在與代謝相關的24小時氧化-還原循環中吸納細胞中過量的過氧化氫。Reddy研究小組發現這一幾乎存在于每一個生物體中的蛋白質在人類、小鼠和海藻細胞中均顯示出了晝夜節律振蕩（circadian oscillation）。

“我們似乎已經發現這些真核生物體具有這些節律，因此我們決定在細菌和古細菌中開展進一步研究，”Reddy說。在最近的研究中，他的研究團隊在淡水藍藻細長聚球藻（Synechococcus elongatus）和海洋有氧古菌嗜鹽桿菌（Halobacterium salinarum）中檢測了過氧化物酶的氧化節律。每個生物體均在48-72小時內維持在恒定的光線和溫度中，在這期間研究人員定期檢測樣品的過氧化物酶氧化與否。果然，在這兩個物種中，蛋白質隨著24小時周期顯示出強大的氧化振蕩。

研究小組還檢測了從前鑒別的生物鐘機制與過氧化物酶之間的聯系，發現當果蠅和擬南芥中的已知基因突變時，過氧化物酶周期仍持續不間斷。這表明兩個組件——傳統的轉錄-翻譯回路因子和過氧化物酶——相互獨立運作生成了生物體的晝夜節律。

由于從前在生命的不同領域沒有鑒別出共同的生物鐘機制，科學家們認為晝夜節律是獨立多次進化而來。“但是為何要多次推倒重來？它沒有任何的意義，”Reddy說。Reddy早就懷疑晝夜節律可能享有一個共同的分子起源，而事實上生命的所有三個領域都享有過氧化物酶周期支持了這一觀點。例如，晝夜節律有可能是隨著細胞適應早期環境能源供應（陽光）循環和隨后的氧化應激循環而進化的。

目前進化的證據還不能完全令人信服，Karplus說：“過氧化物酶蛋白似乎沒有驅動任何或是大概與生物鐘蛋白的互作。它們只是碰巧發生了成為了代謝活動的讀值。”

但是由于新發現，過氧化物酶現在可用作一種標記物來在其他研究很少的物種中尋找晝夜節律。“第一次我們發現了可在所有生物體中觀測晝夜節律的一個共同點，”Reddy說。

Reddy補充說研究結果也可能還有其他更多的實際應用。例如在未來，研究人員或可利用小分子靶向過氧化物酶來破壞致病細菌的晝夜節律，或是提高農作物的節律幫助它們更有效率地生長。