全 文 ：第23卷 第5期
2011年5月
Vol. 23, No. 5
May, 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)05-0465-05
生物节律基因period3的研究进展
安怀杰1，俞炜源2，赵晓航1*
(1 海军总医院全军航海航空医学中心，北京 100037；2 军事医学科学院生物工程研究所，北京 100071)
摘　要：昼夜节律是所有真核生物和部分原核生物的基本特征，一组节律表达的生物钟基因形成 24 h周期
振荡的自主调节转录 -翻译反馈回路。period (per)基因家族是生物钟反馈回路中重要组成成分，per3基因
是 period基因家族成员之一。人类的 per3基因定位于染色体 1p36，其编码区第 18外显子中含有一个灵长
类特有的串联重复序列 (variable number tandem repeat, VNTR)。该 VNTR包含一簇理论上的磷酸化位点，
能影响 PER3蛋白的磷酸化降解，影响 PER3蛋白的功能。近年研究发现，per3基因多态性与睡眠结构、
睡眠紊乱发病年龄、睡眠剥夺后次日清晨执行能力等密切相关。
关键词：昼夜节律；钟基因；period3基因；串联重复多态性
中图分类号：R329；Q428 文献标志码：A
Research advances of circadian rhythms gene period3
AN Huai-Jie1, YU Wei-Yuan2, ZHAO Xiao-Hang1*
(1 Medical Center of Navigation & Aviation of PLA, Navy General Hospital, Beijing 100037, China;
2 Institute of Bioengineering, Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100071, China )
Abstract: Circadian rhythms represent a type of cellular regulation common to eukaryotes and some of the
prokaryotes. Circadian oscillations are cell autonomous. They operate through a negative feedback loop and a set of
genes has been discovered as the genetic basis of this phenomenon. Period (per) gene family is an important
component of the 24 h cycle. Among these per family clock genes, per3, located in 1p36, is of special interest since
it contains a variable number of tandem repeats (VNTR) polymorphism in the coding region, which is unique to
primates. These repeated units contain a cluster of putative phosphorylation sites, and this polymorphism can then
influence PER3 function. It is concerned with age at onset of bipolar disorder. Evidences show that the per3
polymorphism predicts sleep structure, as well as the cognitive and executive administration when sleep deprived.
The present review will summarize recent findings concerning the relationship between per3 and circadian rhythms.
Key words: circadian rhythm; clock gene; period3 gene; variable number tandem repeat polymorphism (VNTR)
收稿日期：2010-07-20； 修回日期：2011-04-20
基金项目：国家自然科学基金项目(30721001, 30973373);
海后司令部科研计划课题(HBJ09JD11)
*通信作者：E-mail: xhzhao@126.com; Tel: 010-
66958332; Fax: 010-68780060
昼夜节律几乎是所有真核生物和部分原核生
物的基本特征 [1]，从单细胞生物到人，均有行为
上的昼夜节律变化。在分子水平上，驱动周期变
化的核心生物钟是由系列相互偶联的转录反馈环
路组成 [2-3]。它的分子机制是一组呈节律表达的生
物钟基因及其蛋白产物构成的自主调节的转录 -翻
译反馈回路 [4]。输入系统接受环境周期信号，传入
到振荡器，调节相关基因的表达，经转录、翻译生
成相应的蛋白质，当生成的蛋白质浓度达到一定程
度时，反馈作用于自身基因的启动部位，使其浓度
以 24 h为周期振荡，最后通过输出系统调节效应器
的昼夜节律 [4-5]。哺乳动物控制昼夜节律的生物钟
位于下丘脑的视交叉上核 (suprachiasmatic nuclei,
SCN)[6]。生物钟可以通过眼睛的特殊光感受器感受
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昼夜的光强度变化，再通过视网膜到 SCN 的“视
网膜 -下丘脑通路”的信号传入，以导引位于 SCN
的主生物钟的节律性振荡，使主钟的输出节律与太
阳日的变化一致。
日常模式中最明显的昼夜节律是睡眠 -觉醒。
有两种机制控制睡眠和觉醒时间 [7-8]，一是昼夜节
律，即在 24 h内，人体的生理机制会出现盛衰变化，
从而调节睡眠时相；二是体内状态平衡机制，即睡
眠稳态调节。该机制确保了人体在经过必要时间的
睡眠后能够得到恢复，使机体在需要时睡觉，在身
体得到满足时醒来。这两种机制的相互作用，影响
着睡眠的时间点、长度、质量以及醒后人体的各种
机能状况 [9]。认识生物节律对人类，特别是对需要
复杂技能和高难度作业能力的人群十分重要。
在哺乳动物生物钟的转录 -翻译反馈环中，有
两组生物钟基因以 24 h节律表达。节律的形成是通
过对基因的产物蛋白形成的异源二聚体或多聚体转
运至细胞核的控制产生的。clock 基因和 Bmal1基
因的蛋白产物是转录因子 CLOCK和 BMAL1，它
们均具有 bHLH-PAS 结构域，是日节律分子机制的
关键性组成成分，以异源二聚体的形式在反馈环中
发挥重要的正调节作用。CLOCK/BMAL1 异源二聚
体与 per1、per2、per3、cry1和 cry2基因启动子区
的 E-box(CACGTG)结合，以启动这些基因的转录。
经翻译得到的 PER、CRY 蛋白产物形成异源二聚体
或多聚体转运至细胞核，抑制 CLOCK/BMAL1异
源二聚体正性转录因子介导的转录，直到它们降解。
接下来，又是另一个 24 h周期表达的开始 (图 1)。
per3的多态性与睡眠节律和睡眠稳态有着密切
联系。 特别是灵长类动物的 per3基因中 VNTR多
态性的发现，使得 per3基因的研究成为热点。
1　per3基因的发现及其功能
1971年，Konopka和 Benzer[10]在研究突变基
因对昼夜节律的作用时，发现了果蝇 X染色体中的
period(per)基因。果蝇的 per基因有 3种突变型：
perO、perL和 perS，其表型分别为无昼夜节律、昼
夜节律延长和昼夜节律缩短 [10-11]。随后，在小鼠和
人类中也发现了类似果蝇的 per基因，而且存在
per1、per2、per3这 3种基因型。随着新的生物节
律基因陆续被发现，建立了核心生物钟环路理论。
per基因家族是生物钟的核心成分。PER和 CRY形
成异源二聚体或多聚体，进入细胞核，导致
CLOCK/BMAL1介导的转录抑制，并促进昼夜节律
信号的输出 [4]。哺乳动物的生物钟基因最早发现于
SCN中，以后又逐步发现其在外周组织中也有表达。
目前，在哺乳动物体内至少发现有 10 种调节昼夜
节律的基因。但是，per3基因在昼夜节律形成中的
作用机制尚未完全阐明。
Shiromani等 [12]在 period基因敲除小鼠中研究
发现，尽管日节律异常，只要 per1、per2、Cry1和
Cry2基因中的 1个存在，小鼠仍能保持日节律。与
此相反，在 per1/per2双敲除的小鼠模型中，只有
per3基因存在不能够形成正常日节律。因此，认为
per3基因的表达蛋白 PER3是生物钟基因转录复合
物的成分之一，per3基因不只是生物钟基因核心组
分，同时也许起“缓冲”其他成分的作用，甚至是
一种钟控基因 [13-14]。
图1 哺乳动物生物钟基因核心环路
安怀杰，等：生物节律基因period3的研究进展第5期 467
2　per3基因的多态性
2001年，Ebisawa等 [15]对日本人睡眠紊乱患
者和对照的 per3基因组外显子扩增后进行单链构
象多态性 (single-strand conformation polymorphism，
SSCP)分析，发现了 5个氨基酸突变的变异体，其
中一个多态性是错义突变 (罕见的单体型 )。该多
态性与睡眠阶段延迟综合征相关，是一种日节律睡
眠紊乱。同时发现了 per3的长度多态性，第 18外
显子中存在 54个碱基的 4次或 5次的非直接重复
序列，即串联重复多态性 (variable number tandem
repeat, VNTR)。
Archer等 [16] 进一步研究了 per3的 VNTR，发
现第 18外显子中 54个碱基 4次或 5次重复的长度
变化的两种等位基因，变化是在理论上的磷酸化位
点编码区。该区域由 4个非直接重复的 54 bp的序
列组成，而新的等位基因在中间多了一个重复序列。
它并不是位于功能确定的区域内，而是靠近理论上
的酪蛋白激酶 I(casein kinase I)的结合位点。
per3基因的 VNTR不是各种生物的共同特征。
Jenkins等 [17]发现在小鼠、大鼠和狗中不存在 per3
基因的串联重复多态性，而在灵长类动物中却有着
数目不等的拷贝数，即该 54 bp的串联重复多态性
是灵长类动物所特有的多态性。
人类的 per3基因位于染色体 1p36，基因长度为
60 475 bp，mRNA长 6 203 bp，编码 1 201个氨基酸，
共有 21个外显子 [18-19]。在第 18个外显子中有 4个或
5个拷贝的 54 bp的非直接重复序列 (VNTR)(图 2)。
3　per3基因VNTR对睡眠生理的影响
根据 per3等位基因分类，人类存在两种纯合
子个体 (基因型分别为 per34/4和 per35/5)和一种杂
合子个体 ( 基因型为 per34/5)。per35/5 纯合子与
per34/4纯合子个体相比有明显的特征。Viola等 [20]
昼夜节律表型相关的研究显示，per35/5纯合子入睡
前的等待时间较短，并显示出与 per34/4纯合子睡
眠稳态方面的显著差异。per35/5纯合子至少 50%
的睡眠处于深睡眠，在觉醒状态下的脑电图
(electroencephalography，EEG)也与 per34/4存在差异。
per35/5个体与早晨的昼行偏好、非快速眼动睡眠
(non-rapid eye movement，non-REM)中的慢波活动
(一种公认的睡眠稳态标记 )及失眠和快速眼动睡
眠 (rapid eye movement, REM)中 θ及 α活动的增加
相关，并且还与睡眠剥夺反应中认知能力较大程度
递减有关。相反地，per34/4与晚间偏好以及延迟睡
眠阶段综合征 (delayed sleep phase syndrome, DSPS)
等昼夜节律疾病相关 [20-21]。
安怀杰等 [22]鉴定了汉族人的 per34等位基因频
率为 88.33%，per35的等位基因频率为 11.67%；基
因型频率 per34/4为 78.33%，per34/5为 20%，per35/5
为 1.67%。与高加索人、非裔美国人 [23]以及意大利
人 [24]相比较，汉族人的 per3基因型频率中 per34/4
为主要基因型，大约是上述三个人种的两倍，占
78.33%。而汉族人的基因型 per35/5最少，占 1.67%，
是上述三个人种的 1/10~1/6。汉族人的 per3基因型
频率分布与上述三个人种差异显著。
3.1　per3基因的VNTR与睡眠结构和对大脑指令的
执行能力
Viola等 [20]研究了 per3多态性对睡眠结构和
觉醒时对大脑指令执行能力 (executive function)的
关系。选择 24个健康志愿者，比较不同 per3基因
型个体的睡眠结构，如慢波睡眠 (slow wave sleep，
SWS)和在非快速眼动睡眠时脑电图的慢波活动，
以及觉醒和快速眼动睡眠时 θ和 α波活动性等。与
per34/4个体相比，具有较长等位基因 per35/5纯合子
个体的睡眠结构主要受其自身基因多态性影响，没
有观察到褪黑素和皮质醇分泌对其睡眠结构的影
响。在 per34/4个体中观察到褪黑素和皮质醇分泌对
睡眠结构的影响。因而，per3基因多态性也许能预
知个体的睡眠结构和觉醒时对大脑指令的执行能
力。
图2 hper3基因结构图
生命科学 第23卷468
Groeger等 [25]观察了纯合子志愿者在完全睡眠
剥夺 (total sleep deprivation, TSD)条件下对大脑指
令的执行能力。受试者在两个基础睡眠夜晚之后，
两组人员进行大约 40 h连续的测试程序。每 2 h完
成简短的测试，测试内容包括执行能力、记忆、注
意力和机动性能等。结果显示，长的纯合子 (per35/5)
或短的 (per34/4)VNTR基因型个体的褪黑素水平都
在凌晨 4时达到中点。除了反映昼夜时段的褪黑素
达到中点 2~4 h后认知能力不同外，认知能力在整
个夜间都降低，两种基因型个体始终相似。只在执
行能力测试上，基因型为 per35/5受试者完成任务能
力非常差。per3基因的 VNTR是睡眠剥夺者对大脑
指令执行能力差异的易感性遗传标志，它影响个体
在睡眠剥夺后次日清晨对大脑指令的执行能力，可
能是通过稳态睡眠压力调节的。von Schantz [18]的
研究提示，per35/5基因型个体与昼行偏爱相关，睡
眠剥夺对其睡眠状态和认知能力影响很大，这一发
现揭示了睡眠节律与睡眠稳态在基因水平的相关性。
3.2　per3基因与长期部分睡眠剥夺对神经行为的影
响
现代社会节奏快，在中青年人中睡眠不足、部
分睡眠剥夺现象十分普遍。Goel等 [23]探讨了长期
部分睡眠剥夺对神经行为的影响，观察在部分睡眠
剥夺条件下，per3的 VNTR是否导致神经行为缺陷
的累积和睡眠稳态的反应。受试者为高加索裔和非
洲裔美国健康成年人，年龄 22~45岁，其 per3基
因型和等位基因频率无显著差异。在基础状况下，
per3基因型个体在睡眠习惯、生理性睡眠结构、节
律阶段、生理性睡眠、认知能力或主观睡眠等方面
无显著差异。受试者连续 5夜每晚睡眠 4 h，即部
分睡眠剥夺条件下，表现出普遍都相同的认知能力
和生理警觉能力持续降低，睡意持续增加。虽然，
在部分睡眠剥夺期间，per35/5个体与 per34/4个体相
比，有较轻但确定的睡眠稳态压力，如测量非快速
眼动睡眠 (non-REM)时，脑电图的慢波 (SWE)增加；
但研究发现，per3基因 VNTR与个体对部分睡眠剥
夺反应的神经行为差异无相关性。在基础状态下，
per3各基因型和个体间对睡眠限制的易感性比较表
明，per3并没有在长期睡眠缺失条件下造成对神经
行为的影响。
3.3　per3基因的VNTR与睡眠紊乱发生的年龄
睡眠紊乱出现的年龄也许代表了系统疾病起源
的特殊遗传倾向，影响发病年龄的遗传因素已经被
证实在形成疾病主要特征中发挥了作用。调控昼夜
时钟节律的基因遗传变异有助于说明睡眠紊乱的内
在表型，已经观察到昼夜时钟节律与疾病的临床特
征相关。Benedetti等 [24]发现，昼夜节律时钟基因
per3的长度多态性影响睡眠紊乱的发生年龄。在相
同的 99个 I型睡眠紊乱患者中，观察到具有 per35/5
纯合子基因型的个体睡眠紊乱发病年龄早，per34/4
纯合子发病年龄晚，杂合子发病年龄居于两者之间。
患者和健康个体的等位基因频率没有显著区别。
3.4　per3基因的VNTR与认知
Vandewalle等 [26]通过功能性磁共振成像技术
研究了 per3基因对认知的影响。在正常睡眠周期
循环和睡眠缺失中，通过使用 3-back工作记忆任务
的方式，应用功能性磁共振成像研究。研究对象人
群按照生物钟基因 per3的 VNTR数目的纯合子分
类。这些多态性通过对睡眠稳态的影响，对睡眠剥
夺和节律紊乱易感。在不易感基因型 per34/4中，正
常睡眠 -觉醒周期循环中没有发现大脑的反应；在
睡眠剥夺期，当执行功能时，这些个体动用大脑前
叶、额叶和皮质下区域。与之形成对比，在易受影
响的基因型 per35/5中，在正常睡眠 -觉醒循环中，
比较晚间和清晨的大脑的变化发现，大脑额叶后部
区域的活动已经减弱；而且，睡眠剥夺次日清晨发
现，基因型 per35/5个体的大脑前叶、额叶、顶叶和
枕叶区域的活动广泛减弱。数据显示：在睡眠 -觉
醒阶段，大脑特殊区域对执行功能反应的特殊动态
变化是由多态性决定的，这种多态性影响睡眠稳态。
这个发现支持这一模型：执行控制的个体间存在差
异，在该过程中，前额叶的资源分配是受睡眠压力
和周期阶段控制的。认知是在周期节律基因和睡眠
稳态调节的 24 h睡眠 -觉醒周期中通过未知的大脑
机制来调节的。
3.5　per3基因与肿瘤标志物
流行病学调查发现，24 h生理周期节律的破坏
是乳腺癌的危险因子。日节律周期调控基因也参与
调节包括细胞增殖、细胞周期调控以及细胞凋亡等
重要生物通路。日节律基因突变也可以导致其他调
控基因失调，而参与肿瘤的发生。因而，昼夜节律
基因也可能成为人类肿瘤易感性标志。通过病例 -
对照研究，Zhu等 [27]探讨了日节律基因 per3的长
度多态性与患乳腺癌发病风险的关系。分析 389名
高加索病例和 432名高加索正常人对照，提示 per3
基因突变体 (per34/5杂合子 + per35/5纯合子 )与绝经
前的妇女乳腺癌风险增加相关，日节律基因 per3
有可能成为年轻妇女乳腺癌的肿瘤标志。
安怀杰，等：生物节律基因period3的研究进展第5期 469
4　展望
per3基因的 VNTR是灵长类动物所特有的遗
传多态性，在长期的生物进化过程中，生物体所处
地理环境的平均日照时间等因素也许与 per3基因
的变异和 VNTR频率相关。生物通过昼夜节律调整
以适应环境有利于更好地生存。在认识人类 per3
基因的 VNTR现象中，还有许多问题有待揭示。
[参　考　文　献]
[1] Nadkarni NA, Weale ME, von Schantz M, et al. Evolution
of a length polymorphism in the human PER3 gene, a
component of the circadian system. J Biol Rhythms, 2005,
20(6): 490-9
[2] Pittendrigh CS. On temperature independence in the clock
system controlling emergence in Drosophila. Proc Natl
Acad Sci USA, 1954, 40(10): 1018-29
[3] Lowrey PL, Takahashi JS. Mammalian circadian biology:
elucidating genome-wide levels of temporal organization.
Annu Rev Genomics Hum Genet, 2004, 5: 407-41
[4] Ko CH, Takahashi JS. Molecular components of the
mammalian circadian clock. Hum Mol Genet, 2006, 15(2):
R271-7
[5] Takahashi JS, Shimomura K, Kumar V. Searching for
genes underlying behavior: lessons from circadian
rhythms. Science, 2008, 7(322): 909-12
[6] Reppert SM, Weaver DR. Coordination of circadian
timing on mammals. Nature, 2002, 4189(6901): 935-41
[7] Roenneberg T, Wirz-Justice A, Merrow M. Life between
clocks: daily temporal patterns of human chronotypes. J
Biol Rhythms, 2003, 18: 80-90
[8] Roenneberg T, Kuehnle T, Juda M, et al. Epidemiology of
the human circadian clock. Sleep Med Rev, 2007, 11: 429-
38
[9] Borbely AA, Achermann P. Sleep homeostasis and models
of sleep regulation. J Biol Rhythms, 1999, 14(6): 557-68
[10] Konopka RJ, Benzer S. Clock mutants of Drosophila
melanogaster. Proc Nat Acad Sci USA, 1971, 68(9): 2112-6
[11] Takahashi JS. Finding new clock component: past and
future. J Biol Rhythms, 2004, 19(5): 339-47
[12] Shiromani PJ, Xu M, Winston EM, et al. Sleep rhythmicity
and homeostasis in mice with targeted disruption of
mPeriod genes. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,
2004, 287(1): R47-57
[13] Bae K, Jin X, Maywood ES, et al. Differential functions
of mPer1, mPer2, and mPer3 in the SCN circadian clock.
Neuron, 2001, 30(2): 525-36
[14] Shearman LP, Jin X, Lee C, et al. Targeted disruption of
the mPer3 gene: subtle effects on circadian clock function.
Mol Cell Biol, 2000, 20(17): 6269-75
[15] Ebisawa T, Uchiyama M, Kajimura N, et al. Association
of structural polymorphisms in the human period3 gene
with delayed sleep phase syndrome. EMBO Rep, 2001,
2(4): 342-6
[16] Archer SN, Robilliard DL, Skene DJ, et al. A length
polymorphism in the circadian clock gene Per3 is linked
to delayed sleep phase syndrome and extreme diurnal
preference. Sleep, 2003, 26(4): 413-5
[17] Jenkins A, Archer SN, von Schantz M. Expansion during
primate radiation of a variable number tandem repeat in
the coding region of the circadian clock gene Period3. J
Biol Rhythms, 2005, 20(5): 470-2
[18] von Schantz M. Phenotypic effects of genetic variability
in human clock genes on circadian and sleep parameters. J
Genet, 2008, 87(5): 513-9
[19] Pereira DS, Tufik S, Pedrazzoli M. Timekeeping
molecules: implications for circadian phenotypes. Rev
Bras Psiquiatr, 2009, 31(1): 63-71
[20] Viola AU, Archer SN, James LM, et al. PER3 polymorphism
predicts sleep structure and waking performance. Curr Biol,
2007, 3(17): 613-8
[21] Jones KH, Ellis J, Schantz MV, et al. Age-related change
in the association between a polymorphism in the PER3
gene and preferred timing of sleep and waking activities. J
Sleep Res, 2007, 16(1): 12-6
[22] 安怀杰 , 李鸣皋 , 赵晓航 , 等 . 汉族人周期节律基因
period3基因型频率的研究. 山西医科大学学报, 2010,
41(9): 786-8
[23] Goel N, Banks S, Mignot E, et al. PER3 polymorphism
predicts cumulative sleep homeostatic but not neurobehavioral
changes to chronic partial sleep deprivation. PLoS One, 2009,
4(6): e5874
[24] Benedetti F, Dallaspezia S, Colombo C, et al. A length
polymorphism in the circadian clock gene Per3 influences
age at onset of bipolar disorder. Neurosci Lett, 2008,
445(2): 184-7
[25] Groeger JA, Viola AU, Lo JC. Early morning executive
functioning during sleep deprivation is compromised by a
PERIOD3 polymorphism. Sleep, 2008, 31(8): 1159-67
[26] Vandewalle G, Archer SN, Wuillaume C, et al. Functional
magnetic resonance imaging-assessed brain responses
during an executive task depend on interaction of sleep
homeostasis, circadian phase, and PER3 genotype. J
Neurosci, 2009, 29(25): 7948-56
[27] Zhu Y, Brown HN, Zhang YW, et al. Period3 structural
variation-a circadian biomarker associated with breast
cancer in young women. Cancer Epidemiol Biomarkers
Pre, 2005, 14(1): 268-70