综述：脊椎动物光周期多型性的机制

《Frontiers in Neuroendocrinology》：Mechanisms of photoperiodic polyphenism in vertebrates

　　

变异是自然选择和人工选择的基本原理。日长（daylength）或光周期（photoperiod）的年度循环是大多数植物和动物物种用来确定一年中的时间和年度变化方向的环境线索。尽管光检测机制存在系统发育变异，但转导光周期信息的神经和分子底物在脊椎动物中是共同的。然而，在控制季节性生理的神经内分泌机制中存在显著的条件可塑性（conditional plasticity），导致单个物种内出现一系列表型（phenotypes）。在此，研究人员涵盖了促成光周期多型性（photoperiodic polyphenism）的系统发育历史和条件可塑性。本综述提出了当前对光如何在脊椎动物中枢神经系统中被检测和表示的理解，并强调了羊膜动物（amniotes）中光周期响应的表型变异（phenotypic variation）。本综述为解决理解光周期多型性如何参与对变化环境的适应中的空白提供了未来方向。

1. 引言
表型多型性（phenotypic polyphenism）指同一基因型产生多种不同表型的现象，其分子基础尚未充分阐明。多数动植物利用日长（光周期）这一环境信号调控季节性生理变化，导致显著的表型改变。该文献考察光周期信号如何诱导表型多型性，聚焦于神经、生理和分子层面的变异如何产生一系列光周期响应。关于光周期响应适应意义的进化理论包括三种：系统发育历史（phylogenetic history）、条件可塑性（conditional plasticity）和适应特化（adaptive specialization）。综述首先描述光检测的系统发育历史依赖性变异，概述脊椎动物中保守的神经和分子通路，然后分析神经解剖和分子通路多水平变异如何产生条件可塑性，并以侏儒仓鼠（Phodopus sungorus）的冬季表型为例，展示分子、细胞和生理差异范围，以及北极野兔等动物支持光周期多型性神经模块化基础的猜想。

2. 脊椎动物光周期响应的系统发育变异
光检测依赖于系统发育历史。光感受器是进化保守的视蛋白分子，从原始后生动物分化而来。非哺乳类脊椎动物（如鱼类、两栖类、爬行类、鸟类）主要利用脑部光感受器（如Opn1、Opn3、Opn4、Opn5、RGR、脊椎动物古视蛋白等）检测光，这些视蛋白广泛表达于下丘脑、松果体和垂体。短尾蜥蜴（tuatara）和蜥蜴基因组中唯一发现新型视蛋白基因lepidopsin（OPNLEP）。鸟类中视蛋白和神经素（neuropsin）参与光依赖的季节性生殖调控。相反，哺乳动物（包括单孔类、有袋类、胎盘类）主要依赖视网膜介导的光检测，褪黑素（melatonin）通过松果体分泌的夜间时长编码光周期信息。光周期解读也有系统发育差异：大多数哺乳动物和鸟类为长日繁殖者，但鸸鹋等鸟类和部分偶蹄目哺乳动物为短日繁殖者。尽管检测和解读光周期信号的机制不同，但基础神经、细胞和分子通路高度趋同。

3. 光周期响应的机制控制
脊椎动物光周期响应可组织为一系列功能模块：光感受（视网膜/脑部）、中央昼夜节律钟（哺乳动物通常为视交叉上核，SCN）、传出神经内分泌信使（多数为褪黑素）、下丘脑中间基底部（MBH）的关键靶点（特别是pars tuberalis–tanycyte复合体），以及传出通路驱动下游生理行为。

3.1 视交叉上核编码昼夜和季节光信息
SCN在所有脊椎动物中控制昼夜节律，接收来自视网膜的直接输入（哺乳动物和鸟类）。SCN细胞内在约24小时节律振荡，通过GABA_A信号、血管活性肠多肽（VIP）等维持同步化。时钟基因如Period 1（Per1）和Brain and muscle Arnt-like protein 1（Bmal1）在不同脊椎动物中可靠编码长、短光周期。SCN传出投射至多个下丘脑核团，并通过突触连接间接调控松果体褪黑素分泌。SCN活动与侏儒仓鼠的光响应性相关，但SCN对光周期响应的必要性因物种而异：哺乳动物中SCN损伤阻断光周期响应，而鸟类中则不。

3.2 松果体协调光周期信息的直接和间接通信
脊椎动物松果体在缺乏光刺激时释放褪黑素（哺乳动物），非哺乳类物种还包含光感受器。褪黑素分泌提供夜间时长的可靠生理指标，大多数光周期哺乳动物中松果体切除可废除光周期响应，而定时褪黑素输注可恢复。欧洲仓鼠（Cricetus cricetus）例外，保留褪黑素非依赖通路。鸟类中褪黑素并非必要或充分调控光周期响应。褪黑素受体在下丘脑pars tuberalis中表达，其密度随光周期变化，该区域是驱动哺乳动物光周期响应的关键靶点。非响应个体中褪黑素结合减少可能与MT₁受体密度有关。

3.3 下丘脑中间基底部门控脑-外周通讯
MBH包括tanycytes、弓状核、正中隆起和pars tuberalis。光周期响应需要促甲状腺激素β亚基（Tshβ）产生，鸟类和哺乳动物中Tshβ在pars tuberalis合成。TSHβ信号诱导tanycytes中脱碘酶2型（Dio2）上调，将甲状腺素（T₄）转化为生物活性更强的三碘甲状腺原氨酸（T₃），触发tanycytes长期形态重塑，门控下丘脑-垂体神经内分泌通信。tanycyte突起数量在短光周期下减少，与侏仓鼠体重变化正相关。下丘脑-垂体-甲状腺（HPT）轴在调节脊椎动物能量稳态中起核心作用。长光周期下Tshβ上调在非哺乳类中一致，哺乳动物中Tshβ表达细胞共表达褪黑素受体MTNR1A。下游神经肽（如催乳素、内源性大麻素、GnRH、RF-酰胺肽、POMC、VGF、生长抑素等）调控蜕毛、生殖、能量平衡等季节性反应。

4. 条件可塑性与光周期响应变异
条件可塑性体现在个体和群体对光周期信号的生理行为表型变异，尽管整合光周期信息的细胞和神经回路相似。纬度梯度是典型例子：高纬度脊椎动物夜间褪黑素显著减少，基因变异（如普通田鼠TSHR多态性）与临界光周期相关。迁徙鸟类与居住鸟类的Tshβ表达差异也表明分子水平的变异。同一物种内不同出生时间的个体产生不同表型，早出生个体更易出现光周期非响应，可能与褪黑素时长缩短有关。侏儒仓鼠暴露于同一短光周期时，20-30%个体完全不响应，其他个体呈现表型谱（部分响应：白色被毛、生殖抑制、体重下降、活动减弱、体温降低至休眠）。部分响应个体的分子基础涉及Dio₃和生长抑素（Sst），tanycyte结构复杂性也与响应强度负相关。野兔中冬季被毛颜色多态性与agouti信号蛋白基因的顺式调控变异相关。

5. 脊椎动物光周期响应的适应特化
适应特化常见于非光周期线索（如温度）驱动的繁殖时机，但光周期响应也存在特化实例。热带斑蚁鸟（Hylophylax n. naevioides）对17分钟光周期增量敏感，非洲石鵖（Saxicola torquatus axillaris）利用日出日落微小模式同步年节律。相反，北极驯鹿和雷鸟在极夜/极昼条件下缺乏昼夜节律行为和无褪黑素节律，驯鼠细胞中Bmal1和Per2振荡消失，表明光周期时间测量可能依赖于直接内源性年节律与光依赖褪黑素调节。

6. 结论与前瞻
光周期响应由分散的神经区域和细胞群体模块化调控。该文概述了视网膜外和视网膜依赖光检测的系统发育差异，强调SCN、松果体和MBH三个关键组织的作用。然而光周期响应并非简单开关，而是涵盖表型谱。未来研究方向包括：（1）SCN神经投射随光周期变化的电生理和分子机制；（2）部分光周期响应的分子机制，聚焦于tanycyte下游神经内分泌网络（如蜕毛、生殖、能量平衡、休眠候选分子）；（3）褪黑素对其他脑区和外周组织影响的物种-个体变异，以及鱼类中纬度变异机制；（4）温度与光周期交互对表型变异的影响，特别是下丘脑甲状腺信号；（5）光周期响应中的性别差异研究，强调需要涵盖两性并利用新一代测序技术。