对西伯利亚仓鼠的第一个完全测序的基因组的分析显示了这些小型季节性繁殖者如何适应他们的身体和能量使用以在冬天生存。
这项研究发表在本周的“美国国家科学院院刊”上，该研究还包括夏季和冬季条件下大脑中基因表达的转录组分析，揭示了通过减少日来触发的冬季仓鼠准备的级联信号长度。
西伯利亚仓鼠(Phodopus sungorus)是研究季节性生物节律的模式生物。它们在春季和初夏繁殖，但随着秋季的临近和日长的缩短，它们的身体会发生巨大变化。仓鼠几乎减掉了一半的体重，主要是通过脂肪，限制食物摄入30%至40%。它们不会冬眠，但在白天适度降低体温以节省能量。它们的皮毛变厚，颜色变为鲜明的白色，它们变得不育，直到它们开始逆转过程，为下一个繁殖季节做准备。
这项新研究表明，无论温度或食物供应量如何，单独移动日长度足以引发这些变化。
“我们希望这将是一个发现和更多研究真正有趣的生物学难题的工具，这是生物在一年中如何在自然的能量景观中导航，”大学心理学教授Brian Prendergast博士说。芝加哥和该研究的作者之一。
该研究是与资深作者泰勒史蒂文森博士合作的项目，他是Prendergast实验室的前博士后研究员，现在是格拉斯哥大学的教师。史蒂文森与来自UChicago研究信息学生物信息学中心的Riyue Bao博士合作，汇集和分析仓鼠基因组和转录组，或由其基因表达的RNA分子，以了解这两种基因在大脑中的活性。和冬季的条件。
'只需连接点'
研究人员专注于下丘脑的活动，这是大脑的一部分，它启动了许多重要的代谢过程，如释放激素，向甲状腺提供信号，控制体温，饥饿和睡眠。现代科学对这些过程如何通过食欲，食物摄入和能量消耗在短期内保持体重有很好的理解。对于这项新研究，研究人员希望了解像西伯利亚仓鼠这样的动物如何在一年一度的周期中长期保持体重。
史蒂文森和鲍一起解释有关基因表达方式的数据，寻找夏季和冬季期间从仓鼠采集的样本之间的差异。一旦宝发现这些差异并确定哪些生物过程可能受到影响，她就转向史蒂文森进行验证。
“我们的合作非常有活力，就像一条双向的街道，”鲍说。“我会将数据传递给他并询问某条路是否合理。然后他可能会识别某种RNA分子或候选基因，并要求提供更多信息。”
他们缩小了一个名为pomc的基因。多年来，科学家们推测它参与了许多动物体重和能量平衡的长期调节，但是，“控制pomc表达的步骤一直是个谜，”史蒂文森说。“我们设计的研究有助于弥补差距，而这只是连接点的问题。”
这一系列事件始于甲状腺激素，称为T4。T4激素很容易在血液中获得，当春天的日光量开始增加时，仓鼠会产生称为脱碘酶的酶。这些酶从T4中去除碘分子并将其转化为一种更有效的激素，称为T3，可控制pomc的活性。
在夏季，增加的T3产量使仓鼠变得肥沃，并且还增加了pomc活动，导致它们体重增加。随着秋季的日子缩短，T3产量下降，关闭了即将到来的冬季的繁殖。降低T3还会下调 - 或关闭 - pomc，导致严重的体重减轻。
史蒂文森还将西伯利亚仓鼠的基因组与其他小型哺乳动物如老鼠和田鼠进行了比较。他注意到在pomcgene的启动子区域中序列模式或基序中的动物之间存在很多差异。基因序列开始处的这部分DNA在如何转录成RNA以及最终如何发挥作用方面起着重要作用。西伯利亚仓鼠与其他季节性繁殖者共享相同的主题，这表明它是如何表达pomcis管理夏季和冬季适应性的关键。
“所有动物都表现出一定程度的季节性生物学，包括人类。我们的研究结果显示，在仓鼠中，甲状腺激素作用于表达pomc的大脑，提供了能量平衡的长期调节，”史蒂文森说。
“令人着迷的是，这个过程是在一些动物身上进化的，如仓鼠和田鼠，而不是其他动物，如绵羊或人类。这告诉我们，动物之间存在很大程度的基因组变异，表明物种特异性强长期能量平衡，“他说。
'一个很棒的拼图'
在另一组实验中，研究人员还限制了仓鼠的食物量。虽然这引起了大脑化学的一些变化，但它对pomcexpression没有影响。只有长度的日长变化对pomc有影响。
普伦德加斯特说，这样的模式让西伯利亚仓鼠感兴趣的不仅在于如何管理季节性适应，还在于管理体重。
“研究肥胖症的研究人员应该注意这种模式，因为这种动物会变得可逆性肥胖。然后，当白天长度说它是减肥的时候，它可以减掉几乎一半的体重，”他说。“对于理解所有这些过程来说，它们是一个很棒的难题。”