四种昼间啮齿类动物的活动模式及其应用进展_邢亦谦.pdf

2022 年 12 月第 30 卷 第 8 期中国实验动物学报ACTA LABORATORIUM ANIMALIS SCIENTIA SINICADecember 2022Vol.30 No.8邢亦谦,高泓,谢红艳,等.四种昼间啮齿类动物的活动模式及其应用进展 J.中国实验动物学报,2022,30(8):1095-1101.Xing YQ,Gao H,Xie HY,et al.Locomotor activity of four diurnal rodents and their applications J.Acta Lab Anim Sci Sin,2022,30(8):1095-1101.Doi:10.3969/j.issn.1005-4847.2022.08.011基金项目国家自然科学基金(82004354),国家中医药管理局中医药创新团队及人才支持计划项目(ZYYCXTD-C-202209),岐黄学者项目。Funded by National Natural Science Foundation of China(82004354),Innovation Team and Talents Cultivation Program of National Administration of Traditional Chinese Medicine(ZYYCXTD-C-202209),Program of Qihuang Scholar.作者简介邢亦谦(1994),女,博士,研究方向:内分泌及代谢性疾病研究。Email:yiqianpb 通信作者谢春光,男,博士,主任医师,博士生导师,研究方向:内分泌及代谢性疾病研究。Email:xcg899 四种昼间啮齿类动物的活动模式及其应用进展邢亦谦1,2,高泓1,谢红艳1,谢春光1(1.成都中医药大学附属医院,代谢性疾病中医药调控四川省重点实验室,成都 610075;2.成都中医药大学,成都 610075)【摘要】昼间啮齿类动物具有与人类相似的昼夜节律,随着生物钟的发现,近年来此类动物逐渐展露出夜间啮齿类动物所不能替代的优势,以新兴模型的姿态出现在代谢、光反应、神经调节、社会行为等医学研究领域。然而国内尚缺乏此类动物的报道。因此,本文回顾昼间动物时间生态位的调控,着重介绍长爪沙鼠(Meriones unguiculatus)、智利八齿鼠(Octodon degus)、尼罗河草鼠(Arvicanthis niloticus)和羚羊地松鼠(Ammospermophilus leucurus)这四种较公认的昼间啮齿类动物的活动模式和应用进展,以期为时间生物学研究提供有力工具。【关键词】昼间啮齿类动物;昼夜节律;活动模式;动物模型【中图分类号】Q95-33 【文献标识码】A 【文章编号】1005-4847(2022)08-1095-07Locomotor activity of four diurnal rodents and their applications XING Yiqian1,2,GAO Hong1,XIE Hongyan1,XIE Chunguang1(1.TCM Regulating Metabolic Diseases Key Laboratory of Sichuan Province,Hospital of Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu 610075,China.2.Chengdu University of Traditional Chinese Medicine,Chengdu 610075)Corresponding author:XIE Chunguang.E-mail:xcg899 【Abstract】Diurnal rodents and humans share similar circadian rhythms.Since the discovery of the circadian clock,scientists have gradually recognized that diurnal rodents exhibit irreplaceable advantages over nocturnal rodents.Recently,they have been exploited as novel models in medical fields such as metabolism,light reflection,neurology regulation,and social behavior.However,diurnal rodents are poorly understood in China.In this paper,we discuss the evolution of circadian rhythms in diurnal animals and the mechanisms behind these animals temporal niches.Moreover,to provide an information source for chronobiology,the locomotor activity and application of four well-defined diurnal rodents,Meriones unguiculatus,Octodon degus,Arvicanthis niloticus,and Ammospermophilus leucurus,are reviewed.【Keywords】diurnal rodents;circadian rhythm;locomotor activity;animal modelConflicts of Interest:The authors declare no conflict of interest.昼夜交替是一种不可避免的地球物理现象,在整个进化过程中对生命产生了强烈影响,不同生命形式选择昼间或夜间生态位,与地球昼夜循环一同震荡演化出了昼夜节律。这种内源性节律是真核中国实验动物学报 2022 年 12 月第 30 卷第 8 期 Acta Lab Anim Sci Sin,December 2022,Vol.30,No.8生物生命的基本成分,控制着睡眠-觉醒、体温波动、血压变化、激素分泌,从细胞水平影响着新陈代谢的各个方面1-3。既往以大鼠、小鼠为代表的标准化啮齿类动物虽用途广泛,为阐明许多基础研究问题提供了帮助,但是作为夜间动物,它们与人类相反的昼夜节律不容忽视,尤其在模拟能量代谢、神经调节、光反应、社会行为方面存在难以克服的缺陷。昼间啮齿类动物提供了一种更加理想的动物模型,有助于推动生物医学向时间-空间四维领域迈进。本文从昼间动物昼夜节律的演化和时间生态位的调控入手,着重介绍了四种较公认的昼间啮齿类动物的活动模式及其应用进展,以期为生物医学研究提供有力工具。1 昼间动物时间生态位的调控遗传学家 Dobzhansky4曾说过:“除了进化的光之外,生物学没有任何意义。”动物的时间生态位除了受到内部昼夜节律系统的驱动外,也受环境光的直接影响,这种作用被称为掩蔽。同时,光还通过一个被称为夹带的过程,使昼夜节律系统不断地调整,与外部世界保持一致。以往对昼间动物时间生态位的调控机制所知甚少,最近这方面取得了突破性进展。1.1 演化过程现代哺乳动物的生活模式仍以夜间活动为主,该模式最早诞生于中生代(Mesozoic Era)时期,是躲避白天活动的恐龙的捕食所做出的一系列适应性变化,包括支持寒冷条件下存活的体温调节系统和适于黑暗环境下的视觉系统5。这种夜间模式大约在 6500 万年7500 万年前的中生代末期进入瓶颈期,在鼩和鼹鼠中开始出现活动期延长至白天的动物。白垩纪(Cretaceous period)末,大灭绝发生后诞生了最早的白天活动的哺乳动物6。自此,昼间动物与夜间动物各自沿着进化路径逐渐变得多样化。毋庸置疑,昼间动物是从夜间活动的祖先进化而来,因而两者昼夜节律系统的组成相似,由位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)的主时钟,和外周组织(如心脏、肝、肌肉、脂肪组织等)中的次级时钟构成。SCN 作为一种可夹带光的振荡器,协调机体代谢节奏与外界明暗周期保持一致,其分子机制涉及多组时钟基因的连锁转录和翻译反馈回路7。大量研究显示,昼间动物主时钟的震荡节律和时钟基因表达与夜间动物相似,目前只发现 Clock 基因在绵羊、卷尾猴等几种昼间动物中表达与夜间动物有细微差异8-9。1.2 调控机制昼间动物与夜间动物相反的活动模式是 SCN主时钟的震荡节律被下游次级时钟逆转所塑造的。一项以人类近亲橄榄狒狒开展的研究通过每隔 2 h处死 1 只动物,在 24 h 内对 12 只狒狒的 22 个大脑区域和 42 个外周组织进行转录组检测,结果发现80%编码蛋白的基因表达是节奏性的,并呈现组织特异性10。较夜间活动的小鼠,时钟基因在 SCN中同步表达,但在其他大脑区域和外周组织中明显不同,其调控机制主要涉及以下两个方面:(1)体液信号和神经元投射:SCN 输出的昼夜节律信号主要通过体液和神经元投射传递给外周振荡器,其中糖皮质激素在昼间和夜间动物不同步的分泌,可能有助于协调下游振荡器的相位设置。Mahoney 等11发现,夜间动物的糖皮质激素分泌在熄灯前达到峰值,而昼间动物的峰值则出现在开灯前。这一现象的深层原因可能是谷氨酸能神经元的脑旁氏核局部回路存在物种差异,例如,将血管加压素注入脑室旁核可促进白天活动的苏丹草鼠释放糖皮质激素,而同样的干预会抑制夜间活动的大鼠分泌糖皮质激素12。另外,最近研究发现,在白天活动的尼罗河草鼠侧僵核中存在谷氨酸能神经元,而夜间活动的大鼠则缺乏,提示侧僵核局部回路中的谷氨酸能神经元的明显分布可能有助于SCN 外脑区从夜间模式向昼间模式转换13。此外,肾上腺素在此过程中起辅助作用14。(2)光夹带和光掩蔽:光夹带对物种日节律的调控有两种模型,包括与离散光脉冲对应的非参数模型,以及与连续光照射对应的参数模型15。地上生活的昼间动物在白天主要暴露于连续光下,而营地下生活的昼间动物则暴露于离散光脉冲下。对昼间和夜间啮齿类动物而言,早、晚的光脉冲分别产生节律相位提前和推迟两种反向效应。但值得注意的是,当光脉冲出现在白天时,夜间动物不会发生反应,表现为一个“死区”,因此白天的光照对调节昼间动物的昼夜节律更为关键。光掩蔽对调节物种的时间生态位意义非凡,光的直接刺激激发昼间动物的活动,同时削弱夜间动物的活动并诱导睡眠。研究发现,蓝光照射可增加小鼠血浆皮质酮水平,而 绿 灯 照 射 则 诱 导 睡 眠16。由 鉴 于 此,6901中国实验动物学报 2022 年 12 月第 30 卷第 8 期 Acta Lab Anim Sci Sin,December 2022,Vol.30,No.8Bourgin 等16提出了一个假设,即夜间和昼间动物对光的不同反应源于对特定波长影响的不同敏感性,夜间物种对绿光的敏感性更高,而昼间物种对蓝光更敏感。此外对光刺激的反应差异,还与解剖结构如上丘的体积、视网膜受体对相同刺激投射至不同大脑区域相关,包括外侧下丘脑、膝状体间小叶、腹侧脑室旁区和橄榄体直肠前核,同时也与增食欲素神经元的激活有关17。综上,昼间动物的时间生态位由内源性的昼夜节律推动,受光夹带和光掩蔽效应的加强或者削弱,相互影响,共同决定昼间动物的基本活动模式。2 昼间啮齿类动物的活动模式及应用进展 昼间啮齿类动物的活动模式与人类高度一致,相较夜间啮齿类动物,其优势如表 1 所示。目前较公认的昼间啮齿类动物主要有:长爪沙鼠、智利八齿鼠、尼罗河草鼠和羚羊地松鼠。表 1 昼间啮齿类动物相较夜间啮齿类动物在生物医学研究领域的主