對西伯利亞倉鼠的第一個完全測序的基因組的分析顯示了這些小型季節(jié)性繁殖者如何適應(yīng)他們的身體和能量使用以在冬天生存。

這項研究發(fā)表在本周的“美國國家科學(xué)院院刊”上，該研究還包括夏季和冬季條件下大腦中基因表達的轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了通過減少日來觸發(fā)的冬季倉鼠準備的級聯(lián)信號長度。

西伯利亞倉鼠(Phodopus sungorus)是研究季節(jié)性生物節(jié)律的模式生物。它們在春季和初夏繁殖，但隨著秋季的臨近和日長的縮短，它們的身體會發(fā)生巨大變化。倉鼠幾乎減掉了一半的體重，主要是通過脂肪，限制食物攝入30%至40%。它們不會冬眠，但在白天適度降低體溫以節(jié)省能量。它們的皮毛變厚，顏色變?yōu)轷r明的白色，它們變得不育，直到它們開始逆轉(zhuǎn)過程，為下一個繁殖季節(jié)做準備。

這項新研究表明，無論溫度或食物供應(yīng)量如何，單獨移動日長度足以引發(fā)這些變化。

“我們希望這將是一個發(fā)現(xiàn)和更多研究真正有趣的生物學(xué)難題的工具，這是生物在一年中如何在自然的能量景觀中導(dǎo)航，”大學(xué)心理學(xué)教授Brian Prendergast博士說。芝加哥和該研究的作者之一。

該研究是與資深作者泰勒史蒂文森博士合作的項目，他是Prendergast實驗室的前博士后研究員，現(xiàn)在是格拉斯哥大學(xué)的教師。史蒂文森與來自UChicago研究信息學(xué)生物信息學(xué)中心的Riyue B??ao博士合作，匯集和分析倉鼠基因組和轉(zhuǎn)錄組，或由其基因表達的RNA分子，以了解這兩種基因在大腦中的活性。和冬季的條件。

'只需連接點'

研究人員專注于下丘腦的活動，這是大腦的一部分，它啟動了許多重要的代謝過程，如釋放激素，向甲狀腺提供信號，控制體溫，饑餓和睡眠?，F(xiàn)代科學(xué)對這些過程如何通過食欲，食物攝入和能量消耗在短期內(nèi)保持體重有很好的理解。對于這項新研究，研究人員希望了解像西伯利亞倉鼠這樣的動物如何在一年一度的周期中長期保持體重。

史蒂文森和鮑一起解釋有關(guān)基因表達方式的數(shù)據(jù)，尋找夏季和冬季期間從倉鼠采集的樣本之間的差異。一旦寶發(fā)現(xiàn)這些差異并確定哪些生物過程可能受到影響，她就轉(zhuǎn)向史蒂文森進行驗證。

“我們的合作非常有活力，就像一條雙向的街道，”鮑說。“我會將數(shù)據(jù)傳遞給他并詢問某條路是否合理。然后他可能會識別某種RNA分子或候選基因，并要求提供更多信息。”

他們縮小了一個名為pomc的基因。多年來，科學(xué)家們推測它參與了許多動物體重和能量平衡的長期調(diào)節(jié)，但是，“控制pomc表達的步驟一直是個謎，”史蒂文森說。“我們設(shè)計的研究有助于彌補差距，而這只是連接點的問題。”

這一系列事件始于甲狀腺激素，稱為T4。T4激素很容易在血液中獲得，當(dāng)春天的日光量開始增加時，倉鼠會產(chǎn)生稱為脫碘酶的酶。這些酶從T4中去除碘分子并將其轉(zhuǎn)化為一種更有效的激素，稱為T3，可控制pomc的活性。

在夏季，增加的T3產(chǎn)量使倉鼠變得肥沃，并且還增加了pomc活動，導(dǎo)致它們體重增加。隨著秋季的日子縮短，T3產(chǎn)量下降，關(guān)閉了即將到來的冬季的繁殖。降低T3還會下調(diào) - 或關(guān)閉 - pomc，導(dǎo)致嚴重的體重減輕。

史蒂文森還將西伯利亞倉鼠的基因組與其他小型哺乳動物如老鼠和田鼠進行了比較。他注意到在pomcgene的啟動子區(qū)域中序列模式或基序中的動物之間存在很多差異。基因序列開始處的這部分DNA在如何轉(zhuǎn)錄成RNA以及最終如何發(fā)揮作用方面起著重要作用。西伯利亞倉鼠與其他季節(jié)性繁殖者共享相同的主題，這表明它是如何表達pomcis管理夏季和冬季適應(yīng)性的關(guān)鍵。

“所有動物都表現(xiàn)出一定程度的季節(jié)性生物學(xué)，包括人類。我們的研究結(jié)果顯示，在倉鼠中，甲狀腺激素作用于表達pomc的大腦，提供了能量平衡的長期調(diào)節(jié)，”史蒂文森說。

“令人著迷的是，這個過程是在一些動物身上進化的，如倉鼠和田鼠，而不是其他動物，如綿羊或人類。這告訴我們，動物之間存在很大程度的基因組變異，表明物種特異性強長期能量平衡，“他說。

'一個很棒的拼圖'

在另一組實驗中，研究人員還限制了倉鼠的食物量。雖然這引起了大腦化學(xué)的一些變化，但它對pomcexpression沒有影響。只有長度的日長變化對pomc有影響。

普倫德加斯特說，這樣的模式讓西伯利亞倉鼠感興趣的不僅在于如何管理季節(jié)性適應(yīng)，還在于管理體重。

“研究肥胖癥的研究人員應(yīng)該注意這種模式，因為這種動物會變得可逆性肥胖。然后，當(dāng)白天長度說它是減肥的時候，它可以減掉幾乎一半的體重，”他說。“對于理解所有這些過程來說，它們是一個很棒的難題。”