西伯利亚仓鼠是研究季节生物节律的典型生物。它们在春季和初夏繁殖，但随着秋季的临近，它们的身体发生了巨大的变化。仓鼠的体重几乎减少了一半，主要是通过脂肪，并将食物摄入量限制在30%到40%。它们的皮毛变厚，颜色变成完全的白色，它们变得不育，直到它们开始改变路线，为下一个繁殖季节做准备。
为了展示这些季节性繁殖的小仓鼠是如何让身体适应冬天的，芝加哥大学的科学家们参与了一个团队，他们创造了西伯利亚仓鼠的第一个全序列基因组。这项研究本周发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上。新的研究表明，不管气温和食物的供应量如何，仅仅是改变一天的时长就足以引发这些变化。
“我们希望这将是一个工具和更多的研究发现一个很有趣的生物学难题,这是有机体在精力充沛的自然景观在过去的一年,”布莱恩Prendergast说,芝加哥大学的心理学教授和这项研究的作者之一。
这项研究是与资深作者泰勒·史蒂文森(Tyler Stevenson)合作完成的，他曾是普伦德加斯特实验室的博士后，现在在格拉斯哥大学(University of Glasgow)任教。史蒂文森与芝加哥大学信息学研究中心生物信息学组的包日月合作，组装并分析仓鼠基因组和转录组(由基因表达的RNA分子)，以了解这些基因在夏季和冬季条件下在大脑中的活动。
研究人员将重点放在下丘脑的活动上。下丘脑是大脑的一部分，负责启动一系列重要的代谢过程，如释放激素、向甲状腺提供信号、控制体温、饥饿和睡眠。现代科学已经很好地理解了这些过程如何通过食欲、食物摄入量和能量消耗在短期内维持体重。在这项新的研究中，研究人员想要了解像西伯利亚仓鼠这样的动物是如何在每年的周期中长期保持体重的。
史蒂文森和鲍共同研究了基因如何表达的数据，寻找夏天和冬季仓鼠样本之间的差异。一旦鲍发现了这些差异，并确定哪些生物过程可能受到影响，她就会向史蒂文森求证。
“我们的合作充满活力，就像一条双向的街道，”鲍说。“我会把数据传给他，问他某种途径是否行得通。然后他可能会识别出某种RNA分子或候选基因，并要求更多信息。”
他们把范围缩小到一种叫做pomc的基因。多年来，科学家们推测它与许多动物体重和能量平衡的长期调节有关，但史蒂文森说:“控制pomc表达的步骤一直是个谜。”“我们设计的这些研究是为了填补这些空白，而这只是把点连接起来的问题。”
这个连锁反应始于甲状腺激素T4。T4激素很容易进入血液，当春季日照开始增加时，仓鼠会产生一种叫做脱碘酶的酶。这些酶从T4中去除碘分子，将其转化为一种更有效的激素T3，控制pomc的活性。
在夏季，T3产量的增加使仓鼠变得多产，同时也增加了pomc活动，导致它们体重增加。随着秋季白天的缩短，T3的产量减少，为即将到来的冬季停止繁殖。降低T3也或关闭pomc，导致体重显著下降。
史蒂文森还将西伯利亚仓鼠的基因组与老鼠和田鼠等其他小型哺乳动物进行了比较。他注意到，在pomc基因启动子区域的序列模式或基序上，动物之间存在着许多差异。在基因序列开始的这段DNA在它如何被转录成RNA，以及最终基因如何运作方面起着重要的作用。西伯利亚仓鼠与其他季节性繁殖者有着相同的主题，这表明pomc的表达方式是控制夏冬适应性的关键。
“包括人类在内，所有动物都表现出一定程度的季节性生物学特征。史蒂文森说:“我们的研究结果表明，在仓鼠中，pomc在大脑中表达，甲状腺激素在大脑中发挥作用，为能量平衡提供了长期的调节。”
“完全令人着迷的是，这个过程在一些动物身上进化而来，比如仓鼠和田鼠，而在其他动物身上却没有进化，比如绵羊或人类。这告诉我们，在动物中存在着很大程度的基因组变异，并表明对长期能量平衡有很强的物种特异性控制，”他说。
在另一组实验中，研究人员还限制了仓鼠的食物量。虽然这导致了脑化学的一些变化，但对pomc的表达没有影响。只有白昼长度的长期变化才会对pomc产生影响。
普伦德加斯特说，这样的模式不仅让西伯利亚仓鼠对如何适应季节变化很感兴趣，而且让它们对体重的总体控制也很有趣。
“研究肥胖的研究人员应该注意这个模型，因为这是一种可逆肥胖的动物。然后，当一天的长度表明是时候减肥时，它就能在提示下减掉近一半的体重。”“对于理解所有这些过程来说，它们是一个奇妙的谜题。”
其他作者包括芝加哥大学的Kenneth G. Onishi;格拉斯哥大学的Elisabetta Tolla;诺丁汉大学的弗兰·j·p·埃布林;剑桥大学的j·e·刘易斯;以及阿伯丁大学的r·l·安德森和佩里·巴雷特。
引文:“西伯利亚仓鼠下丘脑的基因组测序和转录组分析确定了季节能量平衡的机制，”泰勒·史蒂文森等人，2019年6月10日，《美国国家科学院院刊》。
-这个故事最初出现在芝加哥大学医学网站上。