四种昼间啮齿类动物的活动模式及其应用进展

邢亦谦高泓谢红艳谢春光*

(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)

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Dobzhansky[4]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,Bourgin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要优势Table 1 Major advantages of diurnal rodents for the fields of biomedical research compared to nocturnal rodents

2.1 长爪沙鼠(Meriones unguiculatus)

长爪沙鼠,又称蒙古沙鼠,属于哺乳纲、啮齿目、仓鼠科、沙鼠亚科、沙鼠属,主要分布于中国东北、内蒙古及前苏联布里亚特的荒漠草原[18]。长爪沙鼠在自然状态下有昼间和夜间两个种群,总体以昼间活动为主。早期研究报道了长爪沙鼠的夜间活动,1975年Nelissen等[19]通过接触传感器监测到蒙古沙鼠的活动呈黄昏型,有夜晚活动倾向。随后的研究显示,这种采取接触传感器发现的夜间活动模式非常不稳定,只有微弱的黄昏成分[20]。1999年Refinetti[21]采用无线电遥测技术对4只长爪沙鼠进行研究,发现其顶相,即每日活动节律的峰值时间介于夜间和昼间物种之间。直到2006年通过以跑轮活动的方式记录29只长爪沙鼠的活跃模式,发现24%的长爪沙鼠主要在夜间活动,而剩余76%则在白天活动[22],揭示出该物种的昼夜节律存在巨大的种内变异性。

长爪沙鼠作为一种“多功能”实验动物,是研究幽门螺旋杆菌、脑缺血和癫痫的标准模型,广泛应用于感染性疾病、肿瘤、神经系统疾病和代谢性疾病的研究[18]。比小鼠,长爪沙鼠的感觉特化和社会模式更接近人类。随着其完整基因序列的破译,长爪沙鼠成为探索体温调节、听觉处理、脑和生殖器发育、学习记忆行为等极具潜力的模型[23-24]。其中,听觉模型进展飞速,通过对长爪沙鼠听觉脑干(梯形体内侧核、外侧丘系背核)和中脑(下丘)的立体定向注射和膜片钳捕捉,基因传递和光遗传工具成功应用于长爪沙鼠,为听觉回路的研究奠定了基础[25];在生殖器官模型中,最新研究发现雌性长爪沙鼠作为一种雌性功能性前列腺炎发病率较高的啮齿类动物可用来模拟女性前列腺病变[26];在感知模型中,长爪沙鼠对元音和辅音的感知表征与人类相似,但对声音识别需更高的信噪比,可作为语音识别模型[27];在行为方面,长爪沙鼠可用以分析社会网络,男女社会属性差异,焦虑、厌恶情绪以及独特的探索行为[28-30]。

总之,长爪沙鼠是一种功能强大的昼间啮齿类动物,但仍有缺陷比如昼间活动稳健性低,种内异质性大,遗传信息呈高度多态性[31]。令人振奋的是,最近已有学者对长爪沙鼠进行了高效的靶向诱变,成功构建了基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑平台,相信该手段将成为长爪沙鼠进一步开发的有力工具[32]。

2.2 智利八齿鼠(Octodon degus)

智利八齿鼠,也称“刷尾”或“喇叭尾”大鼠,属于哺乳纲、啮齿目、八齿鼠科,是南美洲特有物种,分布于智利北部和中部的灌木丛。智利八齿鼠也有昼间和夜间活动两个种群。Labyak等[33]通过无线电遥测技术发现了智利八齿鼠个体间夹带相角的巨大差异。与蒙古沙鼠不同,智利八齿鼠两种群间的活动模式可发生转化。比如,Kas等[34]发现智利八齿鼠中的一些在未配备跑轮的笼中白天活动,但在有跑轮的笼中却变为夜间活动。Refinetti[22]使用红外探测器观察了25只智利八齿鼠的活动模式,发现在配有跑轮的笼中11只智利八齿鼠白天活动,其余则夜间活动,有趣的是其中4只开始表现为夜间活动的智利八齿鼠,在随后几周却转变为昼间活动。这种活动模式的倒转很值得思考,最近有研究指出其机制可能与运动引起的体温调节约束有关[35]。

智利八齿鼠是研究衰老的“自然”模型,寿命长达7 ~ 8年。随年龄增长,其牙齿、骨骼、黄斑、视网膜、神经等组织器官相继发生退化,并伴随糖消耗障碍和应激,因此是研究认知障碍、2型糖尿病、代谢综合征、肿瘤等衰老相关疾病的理想模型[36-37]。其中,阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease,AD)模型进展显著,智利八齿鼠作为一种天然的散发性AD模型,不仅弥补了以往转基因小鼠模型因寿命短,难以模拟此病晚期的局限性,还为探索AD合并症如氧化应激、帕金森病、视网膜病变等开辟了方向[38-41];在昼夜节律方面,智利八齿鼠用于研究现代生活方式与照明条件变化对人类健康的影响[42];在社会和行为方面,智利八齿鼠可模拟神经-内分泌调控下的孤立、厌恶、恐惧情绪、父系陪伴、母婴互动、复杂发声等多种行为[43-45];在营养和免疫方面,智利八齿鼠是一种早熟动物,可用于评估早期饮食状态对免疫系统发育和成熟的影响[46];在罕见肿瘤方面,可发生胸腺瘤、脊索瘤,其中智利八齿鼠是唯一被报道发生胸腺瘤的啮齿类动物[47-48]。

智利八齿鼠是AD最具前景的模型动物,其独特的昼夜节律和转化现象已被用于模拟轮班制评估现代生活方式与人体健康的关系。但该动物主产于南美,目前国内引进较少。另外,智利八齿鼠在圈养环境下繁殖缓慢,发情周期长达21 d,妊娠期和性成熟期均长达3个月[49]。

2.3 尼罗河草鼠(Arvicanthis niloticus)

尼罗河草鼠,又称“非洲草鼠”,属于哺乳纲、啮齿目、鼠科、垄鼠属,主要分布于尼罗河三角洲和北非草原。尼罗河草鼠是典型的昼间动物,白天活动强劲,持续时间长。研究发现,尼罗河草鼠的每日活动周期达13.5 h,与人类的15.5 h接近[50]。Refinetti[22]将尼罗河草鼠安置于配有跑轮的笼中,分析其活动数据发现:在12 h:12 h的明暗循环中,尼罗河草鼠约87%的日常活动发生在光照阶段,每日活动的起始时间大约出现在灯亮前1 h。过去尼罗河草鼠夜间活动的报道应属罕见个例,大量研究证明了尼罗河草鼠的昼间活动模式稳定可靠,使用跑轮可能会增加它们活动的黄昏成分,但其模式仍然以白天活动为主[51-53]。

尼罗河草鼠是高碳水化合物饮食敏感的模型,广泛应用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)及其并发症(糖尿病视网膜病变、糖尿病心肌病等)和代谢综合征的研究。其视网膜结构与人类相似,适合感受光刺激,因此在探索光与昼夜节律系统、神经、情绪、行为等方面发挥着关键作用[54]。其中,T2DM模型最具潜力,尼罗河草鼠无需依靠基因修饰或化学干预,以高碳水化合物饮食短期喂养即可发展为T2DM。这种发病模式代表了多基因调控下高负荷低纤维饮食。并且,尼罗河草鼠可模拟糖尿病进程中β细胞功能障碍的5个阶段,为阐明胰岛β细胞损伤和衰竭的机制提供了新的视角[55-56];在研究光照方面,尼罗河草鼠是季节性情感障碍(seasonal affective disorder,SAD)的优良模型,揭示了低强度日光通过复杂的神经和内分泌途径如上调内侧视前区类固醇激素、多巴胺受体扰乱动物的性行为,减弱下丘脑促食欲素分泌诱导焦虑、抑郁情绪等[57-58];此外,尼罗河草鼠是研究昼夜节律系统和光掩蔽的重要模型。其海马体中的时钟基因节律与夜间啮齿类动物完全相异,这种昼间啮齿类动物有助于理解昼夜节律系统对人类记忆、认知、行为的操作机制[59-60]。

尼罗河草鼠因昼间活动稳定和对碳水化合物饮食敏感的特性已成为研究昼夜节律和T2DM的潜力模型。野外捕获的尼罗河草鼠易携带寄生虫,为该模型的标准化增添了难度。虽然国外研究中已有详尽的T2DM的造模报道,最近也有学者确定了可供未来研究尼罗河草鼠肝基因表达的PCR内参基因[61],但该模型在我国罕有研究,故开发推广仍任重道远。

2.4 羚羊地松鼠(Ammospermophilus leucurus)

羚羊地松鼠,又称“白尾羚羊松鼠”,属于哺乳纲、啮齿目、松鼠科、羚松鼠属,无需冬眠,营地上生活,分布于北美洲的主要沙漠样带,覆盖纬度轴达21°,活动范围广泛[50,62]。羚羊地松鼠的昼间活动模式为本文所述四种昼间动物中最强最稳定。研究显示羚羊地松鼠的每日活动周期为10.5 h,稳健指数为41%,昼间活动指数为0.97(即97%的运动发生在光照阶段)[63]。Refinetti等[64]发现羚羊地松鼠平均在开灯1 h后醒来,40 min后开始在跑轮活动,10 h后跑完约2 km,熄灯1 h后入睡,此结果与野外研究一致[65]。特别值得注意的是,羚羊地松鼠奔跑方式呈现出极端多样性,且自由奔跑时间与人类完全匹配[50]。

目前羚羊地松鼠尚未广泛应用于医学研究中。但考虑该物种寿命长,有稳定强烈的昼间活动模式以及营社会生活的特性,有学者指出羚羊地松鼠可能是研究人类活动模式对认知、情绪、冲动、艺术成就、心理健康等的潜力模型[63]。但羚羊地松鼠一年有且只有1次短暂的发情期,圈养条件繁殖极为困难,该因素阻碍了其标准化和商品化。

3 小结和展望

生物钟的发现引领生物医学步入时间-空间四维领域,昼夜节律在其中扮演重要角色,调控着生理过程、行为节奏和新陈代谢的各个方面。人们虽已意识到现代生活方式和人工光源可能破坏生物钟而扰乱机体代谢,但由于缺乏适宜的动物模型,阻碍了相关研究的进展。昼间啮齿类动物是一类独特的以白天活动为主的啮齿类动物,经长期演化,其主时钟发出信号通过神经投射和体液传导等方式抵达下游时钟并被逆转,与光刺激共同塑造出与人类相似的昼夜节律,现已成为时间生物学领域不可或缺的模型。

但是,二元分类法(即仅以昼间或夜间活动划分)可能掩盖昼间啮齿动物日活动的多样性,因此,本文介绍了四种最具代表性的昼间啮齿类动物的活动模式,以期为合理选择模型提供借鉴。其中,就昼间活动的稳健性和强度而言,尼罗河草鼠和羚羊地松鼠的昼间模式最强烈,而长爪沙鼠和智利八齿鼠种内变异性较大,少数个体可发生昼间和夜间模式的相互转化。

此外,昼间啮齿类动物的研究尚处于起步阶段。长爪沙鼠在国内应用较多,但主要用于寄生虫、幽门螺旋杆菌等感染性疾病和癫痫、脑缺血病的研究。作为昼间动物,长爪沙鼠独特的感知特点可作为研究人类发音和行为的优良模型。尼罗河草鼠、羚羊地松鼠、智利八齿鼠因产地遥远,尚未引入我国,但相关模型的研究已取得重要进展。其中,尼罗河草鼠作为高碳水化合物诱导的T2DM的模型,解决了现有DM模型需要依赖基因编辑、化学干预、高脂饲料,造模时间长,且难以模拟多基因和饮食诱导的病理过程的缺陷,为探索胰岛功能、脂肪利用等代谢过程提供与人类相似的遗传代谢背景;智利八齿鼠寿命较长,与人类昼夜节律一致,营复杂社会生活,被认为是研究衰老的理想模型,随年龄增长渐进性功能衰退,可模拟AD晚期病变并用于新药研发。

综上,昼间啮齿类动物为时间-空间四维生物医学提供了有力工具,有望弥补以往使用大鼠、小鼠等夜间动物研究时存在的缺陷,包括多相、代谢节律与人体差异大、药物研发后在临床前试验失败率高等,因而极具价值。相信在未来,昼间啮齿类动物模型必会促进人类健康事业进一步发展。