Hamster lấy tín hiệu từ giảm chiều dài ngày để chuẩn bị cho mùa đông dài

Nghiên cứu, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , cũng bao gồm phân tích phiên mã biểu hiện gen trong não trong cả điều kiện mùa hè và mùa đông, cho thấy dòng tín hiệu chuẩn bị chuột đồng cho mùa đông, được kích hoạt bởi ngày giảm chiều dài.

Hamster Siberia ( Phodopus sungorus ) là một sinh vật mẫu để nghiên cứu nhịp sinh học theo mùa. Chúng sinh sản trong mùa xuân và đầu mùa hè, nhưng khi mùa thu đến và chiều dài ngày rút ngắn, cơ thể chúng thay đổi đáng kể. Hamster giảm gần một nửa trọng lượng cơ thể, chủ yếu là do chất béo và hạn chế lượng thức ăn từ 30 đến 40%. Họ không ngủ đông, nhưng khiêm tốn giảm nhiệt độ cơ thể vào ban ngày để tiết kiệm năng lượng. Bộ lông của chúng dày lên và thay đổi màu sắc thành màu trắng hoàn toàn, và chúng trở nên vô sinh cho đến khi chúng bắt đầu đảo ngược quá trình để chuẩn bị cho mùa sinh sản tiếp theo.

Nghiên cứu mới chỉ ra rằng chỉ riêng độ dài ngày thay đổi là đủ để kích hoạt những thay đổi này, bất kể nhiệt độ hay lượng thức ăn có sẵn.

“Chúng tôi hy vọng đây sẽ là một công cụ để khám phá và nghiên cứu thêm về một câu đố sinh học thực sự thú vị, đó là cách các sinh vật điều hướng cảnh quan năng lượng của thiên nhiên trong suốt một năm,” Brian Prendergast, tiến sĩ, giáo sư tâm lý học tại Đại học nói. Chicago và một trong những tác giả của nghiên cứu.

Nghiên cứu này là một dự án hợp tác với tác giả cao cấp Tyler Stevenson, Tiến sĩ, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Prendergast hiện đang giảng dạy tại Đại học Glasgow. Stevenson đã làm việc với FPVue Bao, Tiến sĩ, từ Trung tâm tin học sinh học tin học UChicago, để lắp ráp và phân tích bộ gen của chuột đồng và phiên mã, hoặc các phân tử RNA được biểu hiện bởi gen của nó, để hiểu hoạt động của các gen này trong não trong cả mùa hè và điều kiện mùa đông.

‘Đơn giản chỉ là vấn đề kết nối các dấu chấm’

Các nhà nghiên cứu tập trung vào hoạt động ở vùng dưới đồi, một phần của não khởi tạo một số quá trình trao đổi chất quan trọng như giải phóng hormone, cung cấp tín hiệu cho tuyến giáp và kiểm soát nhiệt độ cơ thể, đói và ngủ. Khoa học hiện đại có một sự hiểu biết khá tốt về cách các quá trình này duy trì cân nặng trong thời gian ngắn thông qua sự thèm ăn, lượng thức ăn và chi tiêu năng lượng. Đối với nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu muốn xem làm thế nào các động vật như chuột đồng Siberia duy trì cân nặng lâu dài trong một chu kỳ hàng năm.

Stevenson và Bao đã làm việc cùng nhau để giải thích dữ liệu về cách gen được biểu hiện, tìm kiếm sự khác biệt giữa các mẫu được lấy từ chuột đồng trong thời kỳ mùa hè và mùa đông. Khi Bao phát hiện ra những khác biệt đó và xác định quá trình sinh học nào có thể bị ảnh hưởng, cô quay sang Stevenson để xác nhận.

“Sự hợp tác của chúng tôi khá năng động, giống như một con đường hai chiều”, Bao nói. “Tôi sẽ chuyển dữ liệu cho anh ấy và hỏi liệu một con đường nào đó có ý nghĩa hay không. Sau đó, anh ấy có thể nhận ra một phân tử RNA hoặc gen ứng cử viên nhất định và hỏi thêm thông tin.”

Họ thu hẹp trong một gen gọi là pomc. Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã suy đoán rằng nó có liên quan đến sự điều hòa dài hạn về cân nặng và năng lượng ở nhiều loài động vật, nhưng, “Đó là các bước kiểm soát biểu hiện pomc vốn là bí ẩn”, Stevenson nói. “Các nghiên cứu chúng tôi thiết kế phục vụ để lấp đầy các khoảng trống và nó chỉ đơn giản là vấn đề kết nối các dấu chấm.”

Chuỗi sự kiện đó bắt đầu với hormone tuyến giáp, được gọi là T4. Hormon T4 có sẵn trong máu và khi lượng ánh sáng ban ngày bắt đầu tăng vào mùa xuân, chuột đồng sản xuất ra các enzyme gọi là deiodinase. Những enzyme này loại bỏ một phân tử iốt từ T4 và biến nó thành một loại hormone mạnh hơn gọi là T3 kiểm soát hoạt động của pomc.

Trong mùa hè, sản xuất T3 tăng cho phép chuột đồng trở nên màu mỡ, và cũng làm tăng hoạt động của pomc, khiến chúng tăng cân. Khi ngày rút ngắn vào mùa thu, sản xuất T3 giảm, ngừng sinh sản cho mùa đông sắp tới. T3 hạ thấp cũng điều chỉnh giảm – hoặc tắt – pomc, dẫn đến giảm cân đáng kể.

Stevenson cũng so sánh bộ gen của chuột đồng Siberia với các động vật có vú nhỏ khác như chuột và chuột đồng. Ông nhận thấy rất nhiều sự khác biệt giữa các loài động vật trong các mô hình trình tự, hoặc các họa tiết, trong vùng quảng bá của pomcgene. Phần DNA này ở đầu chuỗi gen đóng vai trò quan trọng trong cách nó được phiên mã thành RNA và cuối cùng là cách thức hoạt động của gen. Hamster Siberia có chung mô típ với các nhà lai tạo theo mùa khác, cho thấy rằng đó là chìa khóa cho cách pomcis thể hiện để quản lý các thích ứng mùa hè-mùa đông.

“Tất cả các động vật cho thấy một mức độ sinh học theo mùa, bao gồm cả con người. Những gì phát hiện của chúng tôi cho thấy, ở chuột đồng, là các hormone tuyến giáp hoạt động trong não nơi pomc được biểu hiện cung cấp sự điều chỉnh dài hạn của cân bằng năng lượng”, Stevenson nói.

“Điều hoàn toàn hấp dẫn là quá trình này tiến hóa ở một số loài động vật, như chuột đồng và chuột đồng, chứ không phải ở những con khác, như cừu hay người. Điều này cho chúng ta biết rằng một mức độ biến đổi gen lớn tồn tại trên động vật và cho thấy sự kiểm soát đặc trưng của loài mạnh mẽ cân bằng năng lượng dài hạn, “ông nói.

“Một câu đố tuyệt vời”

Trong một tập hợp thí nghiệm riêng biệt, các nhà nghiên cứu cũng hạn chế lượng thức ăn cho chuột đồng. Mặc dù điều này gây ra một số thay đổi trong hóa học não, nhưng nó không có ảnh hưởng đến pomce े ion. Chỉ những thay đổi dài hạn đối với chiều dài ngày mới có ảnh hưởng đến pomc.

Prendergast cho biết các mô hình như thế này làm cho hamster Siberia thú vị không chỉ ở cách nó quản lý sự thích nghi theo mùa mà còn trong việc quản lý trọng lượng cơ thể nói chung.

“Các nhà nghiên cứu nghiên cứu về béo phì nên chú ý đến mô hình này bởi vì đây là một loài động vật trở nên béo phì. Sau đó, nó có thể giảm gần một nửa trọng lượng cơ thể khi cue khi chiều dài ngày nói rằng đã đến lúc giảm cân”, ông nói. “Chúng là một câu đố tuyệt vời để hiểu tất cả các quá trình này.”

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Trung tâm Y tế Đại học Chicago . Bản gốc được viết bởi Matt Wood. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Riyue Bao, Kenneth G. Onishi, Elisabetta Tolla, Fran JP Eble, Jo E. Lewis, Richard L. Anderson, Perry Barrett, Brian J. Prendergast, và Tyler J. Stevenson. Phân tích trình tự bộ gen và phân tích phiên mã của vùng dưới đồi hamster Siberia xác định các cơ chế để cân bằng năng lượng theo mùa . PNAS , 2019 DOI: 10.1073 / pnas.1902896116