Science：解码“冬眠超能力”！下丘脑中的远古基因开关，或将改写人类代谢的未来

从 饥饿游戏 到 基因风暴 小鼠模型揭示的关键时刻

要研究冬眠，一个核心问题是，这种状态是如何被触发和调控的。直接研究大型冬眠动物既困难又复杂。因此，研究人员巧妙地选择了一种我们既熟悉又理想的模式生物 小鼠。你可能会问，小鼠不是恒温动物吗？的确，但它们属于兼性异温动物(facultative heterotherms)，在面临寒冷和饥饿等压力时，能够进入一种短暂的、类似冬眠的麻痹状态 (torpor)，这为研究保守的代谢调控通路提供了一个绝佳的窗口。

研究人员设计了一个 进食-禁食-再进食 (Fed-Fasted-Refed, FFR) 模拟实验。他们将成年雌性小鼠安置在能全面监测其生理活动的代谢笼 (comprehensive lab animal monitoring system, CLAMS) 中。实验分为三个阶段：1.进食期 (Fed phase):48小时正常吃喝。2.禁食麻痹期 (Torpor phase):禁食48小时，并将环境温度从舒适的25 C逐步降至18 C，以诱导小鼠进入麻痹状态。3.再进食期 (Refed phase):恢复正常饮食和25 C的环境，并持续观察6天以上。

这个过程，就像一场 饥饿游戏 。研究人员通过植入体内的温度监测器发现，在禁食和低温的胁迫下，小鼠的体温果然从正常的37 C左右骤降至约20 C，这正是麻痹状态的明确标志。一旦重新获得食物，它们的体温又能在几小时内迅速恢复正常。更有趣的是一个叫做 呼吸交换率 (respiratory exchange ratio, RER)的指标。这个比值可以告诉我们身体主要在燃烧哪种 燃料 接近1.0时主要消耗碳水化合物，接近0.7时则主要消耗脂肪。数据显示，在麻痹后的再进食阶段，小鼠的RER显著升高，表明其能量消耗和二氧化碳产生剧增。然而，它们的运动量和总能量消耗却在长达6天的时间里持续受到抑制。这说明，从极度节能的麻痹状态中恢复，并非简单的 重启 ，而是一个复杂且持久的生理重塑过程。

生理变化背后，必然是基因表达的巨大变革。为了捕捉这些变化，研究人员在FFR周期的不同时间点，提取了小鼠下丘脑的样本，并进行了RNA测序 (RNA-seq)。这项技术可以告诉我们，在特定时刻，哪些基因正在被 阅读 和 转录 ，从而指导细胞活动。

结果令人震惊。从进食到禁食的转变，基因表达的变化相对温和。然而，当小鼠从长达72小时的禁食状态开始重新进食时，一场 基因表达风暴 在下丘脑中上演了。仅在重新进食的第一个小时内，就有超过10,000个基因的表达水平发生了剧烈变化！这个数字远超其他任何阶段。基因表达的调整一直持续到再进食后的一周，甚至一个月后，仍有数千个基因的表达水平未能恢复到初始状态。

这说明， 再进食 这个看似简单的动作，是整个FFR循环中最为关键、分子活动最为剧烈的时期。它不只是简单的能量补充，更是一个深度的基因重新编程窗口。那么，在这个窗口期，哪些基因程序被激活了呢？分析显示，在重新进食后的一小时，大量与ATP依赖性染色质重塑 (ATP-dependent chromatin remodeling)相关的基因被激活。染色质是细胞核内DNA和蛋白质的复合体，它的结构紧密或松散，直接决定了基因能否被读取。这些重塑基因的激活，就像是派出一支 装修队 ，开始大规模地改变DNA的 打包 方式，为后续的基因表达调整做好准备。

为了验证这一点，研究人员进一步使用了ATAC-seq技术，它可以定位基因组中那些 开放 的、易于访问的染色质区域。结果证实，在再进食期间，下丘脑的染色质可及性发生了翻天覆地的变化。在所有检测到的开放区域中，高达25%（共42,919个位点）是再进食时期特有的。

这些数据共同指向一个核心结论：再进食阶段是下丘脑基因表达和染色质结构发生深刻重塑的关键时期。这个阶段，而非禁食本身，可能是理解代谢灵活性和冬眠适应的钥匙。那么，真正的冬眠动物，是否在这扇 关键窗口 背后，隐藏着与众不同的遗传秘密呢？

跨越亿年时空的 基因考古 趋同演化锁定冬眠密码

要找到真正驱动冬眠的遗传密码，只看小鼠是不够的。我们需要一个更宏大的视角，一个能追溯到生命演化长河源头的视角。这里，研究人员引入了一个极为巧妙的工具 趋同演化 (convergent evolution)。

趋同演化指的是，不同的物种为了适应相似的环境或生活方式，独立地演化出了相似的性状。最经典的例子是鸟的翅膀和蝙蝠的翅膀，它们结构不同，来源也不同，但都实现了飞翔的功能。在遗传学上，如果多个独立的冬眠物种在基因组的同一个位置都发生了相似的变化，那么这个位置极有可能就与冬眠功能的实现密切相关。

研究人员利用了 Zoonomia计划 这个庞大的哺乳动物基因组数据库，对四种独立演化出冬眠能力的物种 马达加斯加小猬、小棕蝠、十三纹地松鼠和肥尾倭狐猴 与它们的非冬眠近亲进行了比较。他们关注的是那些在非冬眠动物中高度保守（即在漫长的演化中几乎没有变化）的DNA区域。如果在这些保守区域中，冬眠动物普遍出现了快速的核苷酸变化，这些区域就被称为 平行冬眠者加速区 (parallel hibernator accelerated regions,pHibARs)。反之，如果这些区域在冬眠动物中普遍被删除了，就称为 平行冬眠者删除区 (parallel hibernator deletions,pHibDELs)。

通过这种大规模的 基因考古 ，研究人员取得了惊人的发现。他们在整个哺乳动物基因组中，共鉴定出了9,374个pHibARs和25,108个pHibDELs。这些区域就像是冬眠动物共同的 基因标签 ，是它们在漫长的演化岁月中为了适应冬眠生活而留下的独特印记。

这些成千上万的遗传变异位点，它们到底在做什么？在基因组中，除了编码蛋白质的基因本身，还存在大量被称为 顺式调控元件 (cis-regulatory elements, CREs) 的DNA序列。它们就像基因的 开关 或 调光器 ，通过与蛋白质（转录因子）结合，精确控制着基因在何时、何地、以何种强度开启或关闭。这些pHibARs和pHibDELs，很有可能就是影响冬眠的关键 开关 。

为了验证这一点，研究人员需要知道这些 开关 到底控制着哪些基因。他们使用了一种叫做PLAC-seq的技术，它能够捕捉到基因组在三维空间中的折叠结构，从而鉴定出远距离的 开关 （增强子）和它所调控的 目标基因 （启动子）之间的物理联系。通过在小鼠下丘脑中构建这样的三维互作图谱，他们成功地将这些在演化中找到的pHibARs和pHibDELs与它们调控的基因连接了起来。

激动人心的时刻到来了。当研究人员将这些与演化印记（pHibARs）相连的基因，与他们在小鼠FFR实验中发现的那些在代谢中剧烈变化的基因进行比对时，一个清晰的模式出现了：pHibARs显著地、不成比例地与那些在禁食和再进食期间发生表达变化的基因相互作用。尤其是那些在禁食24小时与72小时之间，以及再进食期间发生改变的基因。

这就像两组独立的证据最终指向了同一个结论。一组来自演化，告诉我们 这些DNA区域在所有冬眠动物中都很特别 ；另一组来自生理学，告诉我们 这些基因在代谢应激中至关重要 。现在，这两组证据通过三维基因组图谱完美地衔接在了一起。这强有力地表明，冬眠动物的演化正是通过改变这些特定的 开关 （pHibARs），来重塑下丘脑对饥饿和再进食的反应程序。

枢纽基因 浮出水面 谁是代谢网络的指挥官？

在一个复杂的基因调控网络中，并非所有基因都生而平等。有些基因身居核心地位，如同公司的CEO或社交网络中的KOL，它们的任何风吹草动都会引发一系列连锁反应，影响下游成百上千个基因的活动。这些基因被称为 枢纽基因 (hub genes)。研究人员自然会问：冬眠动物的演化改变，是否精准地靶向了这些网络中的 指挥官 ？

为了回答这个问题，他们首先利用小鼠FFR实验中七个不同时间点的RNA-seq数据，构建了一个基因共表达网络。通过一种名为 加权基因共表达网络分析 (WGCNA) 的算法，他们将成千上万个基因根据其表达模式的相似性，分成了41个不同的 模块 (modules)。每个模块代表了一组在功能上可能相关的基因，它们在FFR循环中协同作战。

接下来，他们分析了在这些模块中，哪些与pHibARs（冬眠演化印记）调控的基因富集。结果发现，有五个模块被pHibARs显著影响。这些模块的功能涵盖了神经元分化、神经递质信号、炎症反应、脂肪酸代谢和昼夜节律等多个与代谢和神经功能密切相关的核心通路。这表明，冬眠的趋同演化并非随机撒网，而是精准地作用于特定的基因功能网络。

在确定了关键的 战场 （模块）后，下一步就是找到其中的 指挥官 （枢纽基因）。研究人员在每个模块中，根据基因的连接度（即它与其他基因的相互作用数量）进行了排序，将排名前10%且高度属于该模块的基因定义为枢纽基因。这些枢纽基因，是控制整个FFR反应网络的核心调控者。

最终的交集分析揭示了本研究最核心的发现之一。当研究人员比较 枢纽基因 列表和 被pHibARs调控的基因 列表时，发现了显著的重叠。高达38%的FFR响应枢纽基因，其调控区域内都带有来自冬眠动物的演化印记（pHibARs）！研究人员将这些基因命名为 冬眠-枢纽基因 (hibernation-hub genes)。

这是一个里程碑式的发现。它意味着，趋同演化这把 手术刀 ，在数百万年的时间里，极其精准地切割和修改了那些位于代谢调控网络最顶层的 指挥官 的 指令系统 。其中一个典型的例子是名为Enl的基因。它是 blue2 模块中的顶级枢纽基因，该模块与多巴胺神经元的发育密切相关。PLAC-seq数据显示，Enl基因的启动子与一个远端的pHibAR存在两个调控接触。这完美地展示了演化、三维基因组结构和核心基因功能是如何交织在一起的。

这些 冬眠-枢纽基因 究竟在行使什么功能？GO分析显示，它们富含DNA结合转录因子活性、核受体结合、转录辅激活/辅抑制活性等功能。特别是 核糖皮质激素受体结合 ，糖皮质激素信号和下丘脑-垂体-肾上腺轴是身体应对禁食压力的核心系统。这一发现有力地暗示， 冬眠-枢纽基因 正是通过调控这些核心应激反应通路，来实现对FFR基因表达的精细调节。

出乎意料的答案 冬眠是 失去 ，而非 获得

在找到这些关键的 冬眠-枢纽基因 及其调控元件（pHibARs）后，一个更深层次的问题摆在了面前：这些在冬眠动物中发生的 加速演化 变化，究竟是赋予了它们新的功能（功能获得，gain of function），还是让它们失去了旧的限制（功能丧失，loss of function）？

传统观念可能会认为，冬眠是一种高级的、新获得的能力，因此相关的基因变化应该是 功能获得 。然而，这项研究给出了一个出人意料却又逻辑自洽的答案：在很大程度上，冬眠的演化，是建立在 功能丧失 的基础上的。

为了验证这个假说，研究人员进行了一项极具说服力的跨物种比较实验。他们选择了十三纹地松鼠（一种典型的冬眠动物）和实验小鼠（恒温动物），对它们下丘脑中的活性顺式调控元件 (active CREs) 进行了直接比较。他们使用的技术是H3K27ac ChIP-seq，H3K27ac是一种组蛋白修饰，被誉为 活性增强子和启动子的标志 ，带有这种标记的DNA区域通常处于活跃状态。

他们首先各自鉴定出了松鼠和小鼠下丘脑中所有活跃的CREs。其中，约27%的CREs是两个物种共享的，而高达73%是物种特异性的，这反映了它们在演化上的巨大差异。接下来，他们将这些CREs与之前鉴定出的 加速区 (ARs) 进行关联分析，并提出了一个巧妙的逻辑推理：如果在松鼠中加速演化的区域 (squirrel ARs) 主要富集在小鼠特有的CREs上，这意味着什么？这意味着，这个区域在小鼠（以及它们的共同祖先）中很可能是活跃的、有功能的，但在松鼠的演化过程中，它的序列发生了快速变化，从而可能导致其功能的丧失。反之，如果squirrel ARs主要富集在松鼠特有的CREs上，则可能意味着功能获得。

实验结果清晰地支持了前一种假设。松鼠的加速演化区域 (squirrel ARs) 显著地富集在小鼠特有的、活跃的CREs中，而在松鼠自身特有的或共享的CREs中则显著减少。这个模式反过来在小鼠中也成立：小鼠的加速演化区域同样富集在松鼠特有的CREs中。

这就像是说，恒温动物为了维持体温的绝对稳定，演化出了一系列严格的基因 刹车系统 （活跃的CREs）。而冬眠动物为了获得巨大的代谢灵活性，所做的不是去发明一套全新的 油门 ，而是通过基因序列的改变，精准地 拆除 了这些不必要的 刹车 。它们并非获得了什么，而是摆脱了束缚。

进一步的分析也证实了这一点。研究人员比较了pHibARs区域内转录因子结合位点 (Transcription Factor Binding Sites, TFBSs) 的序列。结果发现，在这些区域，非冬眠动物的序列往往比冬眠动物的序列含有更多的TFBS基序。这再次表明，冬眠动物的演化趋势是 消除 而非 创造 结合位点，从而简化或改变调控逻辑。一个典型的例子是HIF1A（缺氧诱导因子1 ）的结合基序。这个因子在低氧条件下调节代谢转换，与冬眠时的呼吸暂停和体温过低密切相关。在pHibARs和pHibDELs中，HIF1A的结合基序都发生了显著的富集和改变，这暗示着冬眠动物对缺氧信号的响应通路被深刻地重塑了。

因此，这项研究颠覆了我们的传统认知。冬眠的 超能力 ，或许并非源于神秘的新基因，而是对古老遗传程序的 解绑 ，是一种更高阶的 断舍离 。

深入细胞的微观世界 在单细胞尺度上绘制调控蓝图

至此，我们已经知道了冬眠动物通过 拆刹车 的方式改变了 枢纽基因 的调控。但下丘脑是一个由多种细胞构成的复杂组织，包括各种类型的神经元和胶质细胞。那么，这些演化上的改变，究竟在哪些特定的细胞类型中发挥作用？FFR循环中的基因风暴，又是如何在不同的细胞间分配任务的？

为了回答这个终极问题，研究人员祭出了最后的 杀手锏 单细胞多组学技术。他们对小鼠在进食、禁食和再进食状态下的下丘脑进行了单细胞RNA测序 (snRNA-seq) 和单细胞ATAC-seq (snATAC-seq)。这两种技术能够让他们以前所未有的分辨率，同时观察到单个细胞的基因表达情况和染色质开放状态。

他们从近9万个细胞中，成功鉴定出了8个主要的细胞类型（如GABA能神经元、谷氨酸能神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞等）和42个更精细的细胞亚群。分析发现，在FFR循环中，不同细胞的反应截然不同。例如，在再进食期间，多种神经元亚群以及小胶质细胞的数量显著增加，显示出特定的细胞群体在代谢恢复中扮演着关键角色。

更重要的是，他们发现 冬眠-枢纽基因 在特定的细胞中高度富集。在所有受这些枢纽基因影响的细胞亚群中，高达92%是神经元！这表明，冬眠的遗传适应性主要集中在对神经元功能的改造上。不同的枢纽基因模块也显示出对不同神经元亚群的偏好。例如，一个名为 darkred 的模块，其枢纽基因广泛影响了22个细胞亚群，而另一个 darkolivegreen4 模块则精准地靶向了5个特定的神经元亚群。

为了将所有线索 演化印记 (pHibARs)、三维基因组互作 (PLAC-seq)、细胞类型特异性基因表达 (snRNA-seq) 和染色质可及性 (snATAC-seq) 整合起来，研究人员以一个名为Hspa8的基因为例，绘制了一幅详尽的调控蓝图。Hspa8是一个热休克蛋白，在神经保护和清除蛋白质聚集体方面有重要作用，这与冬眠后神经系统的恢复密切相关。

Hspa8在小鼠FFR实验中表现出典型的 禁食下调，再进食上调 的模式。单细胞数据显示，这种表达模式在几乎所有细胞类型中都存在。通过整合所有组学数据，研究人员为Hspa8构建了其细胞类型特异性的调控网络：1.演化层面：Hspa8的启动子区域与多个包含pHibARs和pHibDELs的远端调控元件存在物理接触。 2.染色质层面：这些接触的调控元件在不同的细胞类型中，其染色质的开放状态（由snATAC-seq测定）各不相同。 3.功能层面：许多调控元件的开放状态会随着FFR循环（特别是再进食）而动态变化。

最终，他们为Hspa8这个基因绘制出了一张惊人复杂的图谱。这张图谱清晰地展示了，一个基因的表达是如何被一系列在演化上受到选择、在三维空间上远距离相互作用、并且在特定细胞类型和特定代谢状态下才被激活的 开关 网络所精确调控的。除了小胶质细胞，几乎所有其他细胞类型中都存在调控Hspa8的 冬眠连锁CREs 。

这不仅仅是关于一个基因的故事。它提供了一个范例，一个 遗传蓝图 ，揭示了大脑如何通过细胞类型特异性的方式，整合演化适应和生理需求，来精细调控新陈代谢。

重写新陈代谢的遗传密码：从冬眠到人类健康

这项发表在《科学》上的研究，通过层层递进的证据链，最终为我们破解了冬眠的部分遗传密码。它告诉我们，冬眠并非一种凭空出现的魔法，而是深植于演化历史中的一种智慧。它不是通过 获得 新能力，而是通过 解除 旧限制，赋予了生命在能量极度匮乏时生存下去的非凡韧性。

这项研究的意义远不止于满足我们对冬眠的好奇心。它提供了一个全新的框架，来理解哺乳动物（包括人类）代谢调控的底层逻辑。

首先，它为肥胖和代谢性疾病的研究开辟了新思路。现代社会普遍存在的肥胖问题，本质上是一种代谢失调。这项研究识别出的 冬眠-枢纽基因 及其调控网络，正是控制能量平衡的核心。通过更深入地研究这些靶点，我们或许能开发出全新的药物或疗法，不是简单地抑制食欲或增加消耗，而是从根本上 重新编程 我们的代谢设定点，使其更具灵活性。

其次，它为神经保护和抗衰老带来了希望。冬眠动物在经历长时间的体温过低和脑血流减少后，神经系统却能毫发无损地恢复，甚至有研究表明冬眠能逆转某些神经退行性病变的迹象。这项研究发现，许多 冬眠-枢纽基因 都与神经退行性疾病通路相关，例如线粒体应激、蛋白质折叠和泛素化等。这意味着，冬眠动物可能已经演化出了一套高效的神经保护机制。理解并模拟这些机制，可能为治疗、等神经退行性疾病，乃至延缓大脑衰老，提供革命性的策略。

最后，它强调了 再进食 这一被忽视的环节。我们的研究往往聚焦于禁食或节食带来的好处，但这项工作有力地证明，从饥饿中恢复的 再进食 阶段，是一个发生剧烈分子重塑的关键窗口。这对于临床营养学、康复医学乃至日常健康都有着重要的启示。如何科学地 再进食 ，可能与 禁食 本身同等重要。

从解码熊的冬眠，到理解人的代谢，科学的探索永无止境。这项研究就像是为我们提供了一张藏宝图，图上标记着那些被演化精心筛选过的、控制生命节律的古老开关。或许在不远的将来，我们真的能够学会如何安全、可控地拨动这些开关，将冬眠的智慧为我们所用，从而开启一个全新的健康时代。在那之前，这项开创性的工作已经为我们指明了前行的方向。

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