四種晝間嚙齒類動物的活動模式及其應(yīng)用進展

邢亦謙高泓謝紅艷謝春光*

(1. 成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,代謝性疾病中醫(yī)藥調(diào)控四川省重點實驗室,成都 610075;2. 成都中醫(yī)藥大學(xué),成都 610075)

晝夜交替是一種不可避免的地球物理現(xiàn)象,在整個進化過程中對生命產(chǎn)生了強烈影響,不同生命形式選擇晝間或夜間生態(tài)位,與地球晝夜循環(huán)一同震蕩演化出了晝夜節(jié)律。這種內(nèi)源性節(jié)律是真核生物生命的基本成分,控制著睡眠-覺醒、體溫波動、血壓變化、激素分泌,從細胞水平影響著新陳代謝的各個方面[1-3]。既往以大鼠、小鼠為代表的標(biāo)準化嚙齒類動物雖用途廣泛,為闡明許多基礎(chǔ)研究問題提供了幫助,但是作為夜間動物,它們與人類相反的晝夜節(jié)律不容忽視,尤其在模擬能量代謝、神經(jīng)調(diào)節(jié)、光反應(yīng)、社會行為方面存在難以克服的缺陷。晝間嚙齒類動物提供了一種更加理想的動物模型,有助于推動生物醫(yī)學(xué)向時間-空間四維領(lǐng)域邁進。本文從晝間動物晝夜節(jié)律的演化和時間生態(tài)位的調(diào)控入手,著重介紹了四種較公認的晝間嚙齒類動物的活動模式及其應(yīng)用進展,以期為生物醫(yī)學(xué)研究提供有力工具。

1 晝間動物時間生態(tài)位的調(diào)控

遺傳學(xué)家Dobzhansky[4]曾說過:“除了進化的光之外,生物學(xué)沒有任何意義?！眲游锏臅r間生態(tài)位除了受到內(nèi)部晝夜節(jié)律系統(tǒng)的驅(qū)動外,也受環(huán)境光的直接影響,這種作用被稱為掩蔽。同時,光還通過一個被稱為夾帶的過程,使晝夜節(jié)律系統(tǒng)不斷地調(diào)整,與外部世界保持一致。以往對晝間動物時間生態(tài)位的調(diào)控機制所知甚少,最近這方面取得了突破性進展。

1.1 演化過程

現(xiàn)代哺乳動物的生活模式仍以夜間活動為主,該模式最早誕生于中生代(Mesozoic Era)時期,是躲避白天活動的恐龍的捕食所做出的一系列適應(yīng)性變化,包括支持寒冷條件下存活的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和適于黑暗環(huán)境下的視覺系統(tǒng)[5]。這種夜間模式大約在6500萬年~7500萬年前的中生代末期進入瓶頸期,在鼩和鼴鼠中開始出現(xiàn)活動期延長至白天的動物。白堊紀(Cretaceous period)末,大滅絕發(fā)生后誕生了最早的白天活動的哺乳動物[6]。自此,晝間動物與夜間動物各自沿著進化路徑逐漸變得多樣化。毋庸置疑,晝間動物是從夜間活動的祖先進化而來,因而兩者晝夜節(jié)律系統(tǒng)的組成相似,由位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)的主時鐘,和外周組織(如心臟、肝、肌肉、脂肪組織等)中的次級時鐘構(gòu)成。SCN作為一種可夾帶光的振蕩器,協(xié)調(diào)機體代謝節(jié)奏與外界明暗周期保持一致,其分子機制涉及多組時鐘基因的連鎖轉(zhuǎn)錄和翻譯反饋回路[7]。大量研究顯示,晝間動物主時鐘的震蕩節(jié)律和時鐘基因表達與夜間動物相似,目前只發(fā)現(xiàn)Clock基因在綿羊、卷尾猴等幾種晝間動物中表達與夜間動物有細微差異[8-9]。

1.2 調(diào)控機制

晝間動物與夜間動物相反的活動模式是SCN主時鐘的震蕩節(jié)律被下游次級時鐘逆轉(zhuǎn)所塑造的。一項以人類近親橄欖狒狒開展的研究通過每隔2 h處死1只動物,在24 h內(nèi)對12只狒狒的22個大腦區(qū)域和42個外周組織進行轉(zhuǎn)錄組檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)80%編碼蛋白的基因表達是節(jié)奏性的,并呈現(xiàn)組織特異性[10]。較夜間活動的小鼠,時鐘基因在SCN中同步表達,但在其他大腦區(qū)域和外周組織中明顯不同,其調(diào)控機制主要涉及以下兩個方面:

(1)體液信號和神經(jīng)元投射:SCN輸出的晝夜節(jié)律信號主要通過體液和神經(jīng)元投射傳遞給外周振蕩器,其中糖皮質(zhì)激素在晝間和夜間動物不同步的分泌,可能有助于協(xié)調(diào)下游振蕩器的相位設(shè)置。Mahoney等[11]發(fā)現(xiàn),夜間動物的糖皮質(zhì)激素分泌在熄燈前達到峰值,而晝間動物的峰值則出現(xiàn)在開燈前。這一現(xiàn)象的深層原因可能是谷氨酸能神經(jīng)元的腦旁氏核局部回路存在物種差異,例如,將血管加壓素注入腦室旁核可促進白天活動的蘇丹草鼠釋放糖皮質(zhì)激素,而同樣的干預(yù)會抑制夜間活動的大鼠分泌糖皮質(zhì)激素[12]。另外,最近研究發(fā)現(xiàn),在白天活動的尼羅河草鼠側(cè)僵核中存在谷氨酸能神經(jīng)元,而夜間活動的大鼠則缺乏,提示側(cè)僵核局部回路中的谷氨酸能神經(jīng)元的明顯分布可能有助于SCN外腦區(qū)從夜間模式向晝間模式轉(zhuǎn)換[13]。此外,腎上腺素在此過程中起輔助作用[14]。

(2)光夾帶和光掩蔽:光夾帶對物種日節(jié)律的調(diào)控有兩種模型,包括與離散光脈沖對應(yīng)的非參數(shù)模型,以及與連續(xù)光照射對應(yīng)的參數(shù)模型[15]。地上生活的晝間動物在白天主要暴露于連續(xù)光下,而營地下生活的晝間動物則暴露于離散光脈沖下。對晝間和夜間嚙齒類動物而言,早、晚的光脈沖分別產(chǎn)生節(jié)律相位提前和推遲兩種反向效應(yīng)。但值得注意的是,當(dāng)光脈沖出現(xiàn)在白天時,夜間動物不會發(fā)生反應(yīng),表現(xiàn)為一個“死區(qū)”,因此白天的光照對調(diào)節(jié)晝間動物的晝夜節(jié)律更為關(guān)鍵。光掩蔽對調(diào)節(jié)物種的時間生態(tài)位意義非凡,光的直接刺激激發(fā)晝間動物的活動,同時削弱夜間動物的活動并誘導(dǎo)睡眠。研究發(fā)現(xiàn),藍光照射可增加小鼠血漿皮質(zhì)酮水平,而綠燈照射則誘導(dǎo)睡眠[16]。由鑒于此,Bourgin等[16]提出了一個假設(shè),即夜間和晝間動物對光的不同反應(yīng)源于對特定波長影響的不同敏感性,夜間物種對綠光的敏感性更高,而晝間物種對藍光更敏感。此外對光刺激的反應(yīng)差異,還與解剖結(jié)構(gòu)如上丘的體積、視網(wǎng)膜受體對相同刺激投射至不同大腦區(qū)域相關(guān),包括外側(cè)下丘腦、膝狀體間小葉、腹側(cè)腦室旁區(qū)和橄欖體直腸前核,同時也與增食欲素神經(jīng)元的激活有關(guān)[17]。

綜上,晝間動物的時間生態(tài)位由內(nèi)源性的晝夜節(jié)律推動,受光夾帶和光掩蔽效應(yīng)的加強或者削弱,相互影響,共同決定晝間動物的基本活動模式。

2 晝間嚙齒類動物的活動模式及應(yīng)用進展

晝間嚙齒類動物的活動模式與人類高度一致,相較夜間嚙齒類動物,其優(yōu)勢如表1所示。目前較公認的晝間嚙齒類動物主要有:長爪沙鼠、智利八齒鼠、尼羅河草鼠和羚羊地松鼠。

表1 晝間嚙齒類動物相較夜間嚙齒類動物在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的主要優(yōu)勢Table 1 Major advantages of diurnal rodents for the fields of biomedical research compared to nocturnal rodents

2.1 長爪沙鼠(Meriones unguiculatus)

長爪沙鼠,又稱蒙古沙鼠,屬于哺乳綱、嚙齒目、倉鼠科、沙鼠亞科、沙鼠屬,主要分布于中國東北、內(nèi)蒙古及前蘇聯(lián)布里亞特的荒漠草原[18]。長爪沙鼠在自然狀態(tài)下有晝間和夜間兩個種群,總體以晝間活動為主。早期研究報道了長爪沙鼠的夜間活動,1975年Nelissen等[19]通過接觸傳感器監(jiān)測到蒙古沙鼠的活動呈黃昏型,有夜晚活動傾向。隨后的研究顯示,這種采取接觸傳感器發(fā)現(xiàn)的夜間活動模式非常不穩(wěn)定,只有微弱的黃昏成分[20]。1999年Refinetti[21]采用無線電遙測技術(shù)對4只長爪沙鼠進行研究,發(fā)現(xiàn)其頂相,即每日活動節(jié)律的峰值時間介于夜間和晝間物種之間。直到2006年通過以跑輪活動的方式記錄29只長爪沙鼠的活躍模式,發(fā)現(xiàn)24%的長爪沙鼠主要在夜間活動,而剩余76%則在白天活動[22],揭示出該物種的晝夜節(jié)律存在巨大的種內(nèi)變異性。

長爪沙鼠作為一種“多功能”實驗動物,是研究幽門螺旋桿菌、腦缺血和癲癇的標(biāo)準模型,廣泛應(yīng)用于感染性疾病、腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和代謝性疾病的研究[18]。比小鼠,長爪沙鼠的感覺特化和社會模式更接近人類。隨著其完整基因序列的破譯,長爪沙鼠成為探索體溫調(diào)節(jié)、聽覺處理、腦和生殖器發(fā)育、學(xué)習(xí)記憶行為等極具潛力的模型[23-24]。其中,聽覺模型進展飛速,通過對長爪沙鼠聽覺腦干(梯形體內(nèi)側(cè)核、外側(cè)丘系背核)和中腦(下丘)的立體定向注射和膜片鉗捕捉,基因傳遞和光遺傳工具成功應(yīng)用于長爪沙鼠,為聽覺回路的研究奠定了基礎(chǔ)[25];在生殖器官模型中,最新研究發(fā)現(xiàn)雌性長爪沙鼠作為一種雌性功能性前列腺炎發(fā)病率較高的嚙齒類動物可用來模擬女性前列腺病變[26];在感知模型中,長爪沙鼠對元音和輔音的感知表征與人類相似,但對聲音識別需更高的信噪比,可作為語音識別模型[27];在行為方面,長爪沙鼠可用以分析社會網(wǎng)絡(luò),男女社會屬性差異,焦慮、厭惡情緒以及獨特的探索行為[28-30]。

總之,長爪沙鼠是一種功能強大的晝間嚙齒類動物,但仍有缺陷比如晝間活動穩(wěn)健性低,種內(nèi)異質(zhì)性大,遺傳信息呈高度多態(tài)性[31]。令人振奮的是,最近已有學(xué)者對長爪沙鼠進行了高效的靶向誘變,成功構(gòu)建了基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)的基因組編輯平臺,相信該手段將成為長爪沙鼠進一步開發(fā)的有力工具[32]。

2.2 智利八齒鼠(Octodon degus)

智利八齒鼠,也稱“刷尾”或“喇叭尾”大鼠,屬于哺乳綱、嚙齒目、八齒鼠科,是南美洲特有物種,分布于智利北部和中部的灌木叢。智利八齒鼠也有晝間和夜間活動兩個種群。Labyak等[33]通過無線電遙測技術(shù)發(fā)現(xiàn)了智利八齒鼠個體間夾帶相角的巨大差異。與蒙古沙鼠不同,智利八齒鼠兩種群間的活動模式可發(fā)生轉(zhuǎn)化。比如,Kas等[34]發(fā)現(xiàn)智利八齒鼠中的一些在未配備跑輪的籠中白天活動,但在有跑輪的籠中卻變?yōu)橐归g活動。Refinetti[22]使用紅外探測器觀察了25只智利八齒鼠的活動模式,發(fā)現(xiàn)在配有跑輪的籠中11只智利八齒鼠白天活動,其余則夜間活動,有趣的是其中4只開始表現(xiàn)為夜間活動的智利八齒鼠,在隨后幾周卻轉(zhuǎn)變?yōu)闀冮g活動。這種活動模式的倒轉(zhuǎn)很值得思考,最近有研究指出其機制可能與運動引起的體溫調(diào)節(jié)約束有關(guān)[35]。

智利八齒鼠是研究衰老的“自然”模型,壽命長達7 ~ 8年。隨年齡增長,其牙齒、骨骼、黃斑、視網(wǎng)膜、神經(jīng)等組織器官相繼發(fā)生退化,并伴隨糖消耗障礙和應(yīng)激,因此是研究認知障礙、2型糖尿病、代謝綜合征、腫瘤等衰老相關(guān)疾病的理想模型[36-37]。其中,阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease,AD)模型進展顯著,智利八齒鼠作為一種天然的散發(fā)性AD模型,不僅彌補了以往轉(zhuǎn)基因小鼠模型因壽命短,難以模擬此病晚期的局限性,還為探索AD合并癥如氧化應(yīng)激、帕金森病、視網(wǎng)膜病變等開辟了方向[38-41];在晝夜節(jié)律方面,智利八齒鼠用于研究現(xiàn)代生活方式與照明條件變化對人類健康的影響[42];在社會和行為方面,智利八齒鼠可模擬神經(jīng)-內(nèi)分泌調(diào)控下的孤立、厭惡、恐懼情緒、父系陪伴、母嬰互動、復(fù)雜發(fā)聲等多種行為[43-45];在營養(yǎng)和免疫方面,智利八齒鼠是一種早熟動物,可用于評估早期飲食狀態(tài)對免疫系統(tǒng)發(fā)育和成熟的影響[46];在罕見腫瘤方面,可發(fā)生胸腺瘤、脊索瘤,其中智利八齒鼠是唯一被報道發(fā)生胸腺瘤的嚙齒類動物[47-48]。

智利八齒鼠是AD最具前景的模型動物,其獨特的晝夜節(jié)律和轉(zhuǎn)化現(xiàn)象已被用于模擬輪班制評估現(xiàn)代生活方式與人體健康的關(guān)系。但該動物主產(chǎn)于南美,目前國內(nèi)引進較少。另外,智利八齒鼠在圈養(yǎng)環(huán)境下繁殖緩慢,發(fā)情周期長達21 d,妊娠期和性成熟期均長達3個月[49]。

2.3 尼羅河草鼠(Arvicanthis niloticus)

尼羅河草鼠,又稱“非洲草鼠”,屬于哺乳綱、嚙齒目、鼠科、壟鼠屬,主要分布于尼羅河三角洲和北非草原。尼羅河草鼠是典型的晝間動物,白天活動強勁,持續(xù)時間長。研究發(fā)現(xiàn),尼羅河草鼠的每日活動周期達13.5 h,與人類的15.5 h接近[50]。Refinetti[22]將尼羅河草鼠安置于配有跑輪的籠中,分析其活動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):在12 h:12 h的明暗循環(huán)中,尼羅河草鼠約87%的日常活動發(fā)生在光照階段,每日活動的起始時間大約出現(xiàn)在燈亮前1 h。過去尼羅河草鼠夜間活動的報道應(yīng)屬罕見個例,大量研究證明了尼羅河草鼠的晝間活動模式穩(wěn)定可靠,使用跑輪可能會增加它們活動的黃昏成分,但其模式仍然以白天活動為主[51-53]。

尼羅河草鼠是高碳水化合物飲食敏感的模型,廣泛應(yīng)用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)及其并發(fā)癥(糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病心肌病等)和代謝綜合征的研究。其視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)與人類相似,適合感受光刺激,因此在探索光與晝夜節(jié)律系統(tǒng)、神經(jīng)、情緒、行為等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[54]。其中,T2DM模型最具潛力,尼羅河草鼠無需依靠基因修飾或化學(xué)干預(yù),以高碳水化合物飲食短期喂養(yǎng)即可發(fā)展為T2DM。這種發(fā)病模式代表了多基因調(diào)控下高負荷低纖維飲食。并且,尼羅河草鼠可模擬糖尿病進程中β細胞功能障礙的5個階段,為闡明胰島β細胞損傷和衰竭的機制提供了新的視角[55-56];在研究光照方面,尼羅河草鼠是季節(jié)性情感障礙(seasonal affective disorder,SAD)的優(yōu)良模型,揭示了低強度日光通過復(fù)雜的神經(jīng)和內(nèi)分泌途徑如上調(diào)內(nèi)側(cè)視前區(qū)類固醇激素、多巴胺受體擾亂動物的性行為,減弱下丘腦促食欲素分泌誘導(dǎo)焦慮、抑郁情緒等[57-58];此外,尼羅河草鼠是研究晝夜節(jié)律系統(tǒng)和光掩蔽的重要模型。其海馬體中的時鐘基因節(jié)律與夜間嚙齒類動物完全相異,這種晝間嚙齒類動物有助于理解晝夜節(jié)律系統(tǒng)對人類記憶、認知、行為的操作機制[59-60]。

尼羅河草鼠因晝間活動穩(wěn)定和對碳水化合物飲食敏感的特性已成為研究晝夜節(jié)律和T2DM的潛力模型。野外捕獲的尼羅河草鼠易攜帶寄生蟲,為該模型的標(biāo)準化增添了難度。雖然國外研究中已有詳盡的T2DM的造模報道,最近也有學(xué)者確定了可供未來研究尼羅河草鼠肝基因表達的PCR內(nèi)參基因[61],但該模型在我國罕有研究,故開發(fā)推廣仍任重道遠。

2.4 羚羊地松鼠(Ammospermophilus leucurus)

羚羊地松鼠,又稱“白尾羚羊松鼠”,屬于哺乳綱、嚙齒目、松鼠科、羚松鼠屬,無需冬眠,營地上生活,分布于北美洲的主要沙漠樣帶,覆蓋緯度軸達21°,活動范圍廣泛[50,62]。羚羊地松鼠的晝間活動模式為本文所述四種晝間動物中最強最穩(wěn)定。研究顯示羚羊地松鼠的每日活動周期為10.5 h,穩(wěn)健指數(shù)為41%,晝間活動指數(shù)為0.97(即97%的運動發(fā)生在光照階段)[63]。Refinetti等[64]發(fā)現(xiàn)羚羊地松鼠平均在開燈1 h后醒來,40 min后開始在跑輪活動,10 h后跑完約2 km,熄燈1 h后入睡,此結(jié)果與野外研究一致[65]。特別值得注意的是,羚羊地松鼠奔跑方式呈現(xiàn)出極端多樣性,且自由奔跑時間與人類完全匹配[50]。

目前羚羊地松鼠尚未廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究中。但考慮該物種壽命長,有穩(wěn)定強烈的晝間活動模式以及營社會生活的特性,有學(xué)者指出羚羊地松鼠可能是研究人類活動模式對認知、情緒、沖動、藝術(shù)成就、心理健康等的潛力模型[63]。但羚羊地松鼠一年有且只有1次短暫的發(fā)情期,圈養(yǎng)條件繁殖極為困難,該因素阻礙了其標(biāo)準化和商品化。

3 小結(jié)和展望

生物鐘的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)步入時間-空間四維領(lǐng)域,晝夜節(jié)律在其中扮演重要角色,調(diào)控著生理過程、行為節(jié)奏和新陳代謝的各個方面。人們雖已意識到現(xiàn)代生活方式和人工光源可能破壞生物鐘而擾亂機體代謝,但由于缺乏適宜的動物模型,阻礙了相關(guān)研究的進展。晝間嚙齒類動物是一類獨特的以白天活動為主的嚙齒類動物,經(jīng)長期演化,其主時鐘發(fā)出信號通過神經(jīng)投射和體液傳導(dǎo)等方式抵達下游時鐘并被逆轉(zhuǎn),與光刺激共同塑造出與人類相似的晝夜節(jié)律,現(xiàn)已成為時間生物學(xué)領(lǐng)域不可或缺的模型。

但是,二元分類法(即僅以晝間或夜間活動劃分)可能掩蓋晝間嚙齒動物日活動的多樣性,因此,本文介紹了四種最具代表性的晝間嚙齒類動物的活動模式,以期為合理選擇模型提供借鑒。其中,就晝間活動的穩(wěn)健性和強度而言,尼羅河草鼠和羚羊地松鼠的晝間模式最強烈,而長爪沙鼠和智利八齒鼠種內(nèi)變異性較大,少數(shù)個體可發(fā)生晝間和夜間模式的相互轉(zhuǎn)化。

此外,晝間嚙齒類動物的研究尚處于起步階段。長爪沙鼠在國內(nèi)應(yīng)用較多,但主要用于寄生蟲、幽門螺旋桿菌等感染性疾病和癲癇、腦缺血病的研究。作為晝間動物,長爪沙鼠獨特的感知特點可作為研究人類發(fā)音和行為的優(yōu)良模型。尼羅河草鼠、羚羊地松鼠、智利八齒鼠因產(chǎn)地遙遠,尚未引入我國,但相關(guān)模型的研究已取得重要進展。其中,尼羅河草鼠作為高碳水化合物誘導(dǎo)的T2DM的模型,解決了現(xiàn)有DM模型需要依賴基因編輯、化學(xué)干預(yù)、高脂飼料,造模時間長,且難以模擬多基因和飲食誘導(dǎo)的病理過程的缺陷,為探索胰島功能、脂肪利用等代謝過程提供與人類相似的遺傳代謝背景;智利八齒鼠壽命較長,與人類晝夜節(jié)律一致,營復(fù)雜社會生活,被認為是研究衰老的理想模型,隨年齡增長漸進性功能衰退,可模擬AD晚期病變并用于新藥研發(fā)。

綜上,晝間嚙齒類動物為時間-空間四維生物醫(yī)學(xué)提供了有力工具,有望彌補以往使用大鼠、小鼠等夜間動物研究時存在的缺陷,包括多相、代謝節(jié)律與人體差異大、藥物研發(fā)后在臨床前試驗失敗率高等,因而極具價值。相信在未來,晝間嚙齒類動物模型必會促進人類健康事業(yè)進一步發(fā)展。