数学建模和实验相结合，确定了果蝇主时钟神经元和从时钟神经元分子时钟系统的差异。这就解开了昼夜节律（约 24 小时）钟的稳健性（强节律）和可塑性（灵活适应）这一矛盾特性的分子机制这一长期之谜。

我们的日常节律是如何调节的

从微小的果蝇到人类，地球上的所有动物都利用体内的昼夜节律钟来维持它们的日常节律。昼夜节律钟使生物体的行为和生理机能在 24 小时昼夜节律周期的基础上发生有节奏的变化。例如，我们自身的生物钟会指示大脑在夜间释放褪黑激素（一种促进睡眠的激素）。昼夜节律钟分子机制的发现获得了 2017 年诺贝尔生理学或医学奖。根据我们目前的知识，我们的昼夜节律周期并不由中央时钟负责。相反，这一机制在一个分层网络中发挥作用，其中有一个 “主时钟 “和 “从属振荡器”。

主时钟接收来自环境的各种输入信号，如光线。然后，主时钟控制从属振荡器，从属振荡器调节睡眠、营养和新陈代谢等各种输出。尽管起搏神经元的功能各不相同，但已知它们具有共同的分子机制，这些机制在所有生命形式中都得到了很好的保留。例如，在果蝇中对由核钟蛋白组成的多个转录-翻译反馈回路（TTFLs）的互连系统进行了详细研究。

主时钟和从时钟通过不同的分子机制发挥作用

然而，关于我们自身的生物钟，还有很多东西需要了解。主时钟神经元和从时钟神经元的分级组织性质导致人们普遍认为它们具有相同的分子时钟。与此同时，由于它们在调节身体节律方面扮演着不同的角色，人们不禁要问，它们是否会以不同的分子时钟运作。在 KIM Jae Kyoung 和 KIM Eun Young 教授的领导下，基础科学研究所（IBS）和安洲大学的研究人员利用果蝇，结合数学和实验方法回答了这个问题。研究小组发现，主时钟和从时钟通过不同的分子机制发挥作用。

果蝇的主神经元和从神经元都会产生一种名为PER的昼夜节律蛋白，并根据一天中的不同时间以不同的速率降解。此前，研究小组发现，果蝇野生型和Clk-Δ突变体中的主时钟神经元（_sLNvs）和从时钟神经元（_DN1ps）具有不同的PER曲线。这表明，主时钟神经元和从时钟神经元的分子时钟机制可能存在差异。

然而，由于分子时钟的复杂性，很难确定造成这些差异的原因。因此，研究小组建立了一个数学模型，描述了主时钟和从时钟的分子时钟机制。随后，研究小组利用计算机模拟系统研究了主时钟和从时钟神经元之间可能存在的所有分子差异。该模型预测，与从属时钟神经元相比，主时钟神经元产生 PER 的效率更高，然后降解得更快。随后的动物实验证实了这一预测。

当昼夜节律钟失去其稳健性和灵活性时，昼夜节律睡眠紊乱就会发生

那么，为什么主时钟神经元与从时钟神经元具有如此不同的分子特性呢？为了回答这个问题，研究小组再次将数学模型模拟与实验相结合。他们发现，主时钟神经元合成 PER 的速度更快，这使它们能够产生高振幅的同步节律。产生这种高振幅的强节奏对于向从时钟神经元发送清晰的信号至关重要。然而，这种强烈的节律通常不利于适应环境变化。这包括自然原因，如夏季和冬季不同的日照时间，以及更极端的人为情况，如国际旅行后的时差。

由于主时钟神经元的特殊属性，当正常的光暗周期被打乱时，它们会发生相位分散，导致 PER 水平急剧下降。这样，主时钟神经元就能很容易地适应新的日周期。主时钟的可塑性解释了为什么我们在乘坐国际航班后，仅经过短暂的时差阶段就能迅速适应新的时区。希望这项研究的结果将来能对治疗影响昼夜节律的各种疾病产生临床影响。首席研究员金解释说：”当昼夜节律失去其稳健性和灵活性时，就会出现昼夜节律睡眠障碍。由于这项研究确定了产生昼夜节律钟稳健性和灵活性的分子机制，因此它可能有助于确定昼夜节律睡眠障碍的原因和治疗策略”。