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这篇研究文章系统探讨了季节性光照时长（光周期）对非季节性哺乳动物小鼠的外周生物钟及能量代谢的影响。研究通过将小鼠分别置于代表夏季（长光照）、冬季（短光照）和春秋分（等光照）的不同光周期环境，发现短光照（冬季）条件下的小鼠表现出脂质代谢节律幅度增强、脂肪质量和肝脏甘油三酯含量适度降低，同时能量消耗有所增加，且这些变化主要源于食物摄入时间的节律性调整，而非褪黑激素系统的功能差异。进一步的转录组和代谢分析显示，光周期改变导致外周组织核心时钟基因表达节律的相位转移，且短光照条件下肝脏中与禁食相关的代谢通路节律性增强。通过时间限制性进食实验，研究证实食物摄入时间的调整在光周期调控能量代谢中起关键作用。该研究首次明确指出，季节性光照通过调节进食时间节律，独立于褪黑激素，影响小鼠的能量代谢和外周生物钟节律，提示现代人类因人工光照导致的“常年夏季”光周期可能对代谢健康产生潜在影响。
1. 处于短光照（SL）周期的小鼠表现出体重和脂肪量增长减缓以及能量消耗（EE）增加
将8周龄雄性C57BL/6N小鼠随机分配至低脂饮食（LFD，10%能量来自脂肪）或高脂饮食（HFD，45%能量来自脂肪）组，并随机接受三种光照周期之一（SL 6小时光照:18小时黑暗、EL等光照 12小时光照:12小时黑暗、或LL 18小时光照:6小时黑暗）干预13周（图1A）。与其他光照周期相比，SL组小鼠体重增长更缓慢（图1B-1D），这种差异在高脂饮食小鼠中尤为显著，而总体而言高脂饮食如预期导致体重增长加速。虽然高脂饮食小鼠的能量摄入如预期增加（图1E），但不同光照周期间的能量摄入无差异（图1E）。SL组小鼠显示出按体重比例消耗更多能量的趋势，这可能是其体重增长较慢的原因（图1F）。脂肪量变化与体重趋势一致（图1G），在SL组小鼠中显著降低（图1H）。而瘦体重不受光照周期影响（图1I和1J）。与EL组相比，SL组小鼠肝脏甘油三酯含量更低，且高脂饮食在所有组别中均比低脂饮食显著增加肝脏甘油三酯（图1K）。与EL组相比，SL组小鼠肝脏甘油三酯含量更低，且高脂饮食在所有组别中均比低脂饮食显著增加肝脏甘油三酯（图1K）。以上结果表明，与正常光照（EL）和长光照（LL）相比，短光照（SL）显著减缓了高脂饮食（HFD）和低脂饮食（LFD）小鼠的体重以及脂肪量增长，并可能通过增加能量消耗（EE）实现这一效果，同时降低肝脏甘油三酯含量，但对瘦体重、能量摄入和多数代谢指标无显著影响。
图1. 高脂饮食喂养的短光照周期小鼠表现出体重及脂肪积累减少，肝脏甘油三酯降低
2. 光照周期影响摄食模式、呼吸交换比及空腹相关代谢物的节律性
为探究光照周期导致脂肪积累差异的机制，作者监测了小鼠昼夜能量代谢及组织、循环代谢物的动态变化。在光照周期/饮食干预8周后，对体重匹配的小鼠（图2A）进行间接 calorimetry 检测。尽管各组累计能量摄入无差异（图2B），但不同光照周期小鼠的摄食模式呈现显著变化（图2C）。与SL组相比，LL组小鼠每日能量摄入振幅和呼吸交换比（RER）降低，且整体RER水平更低（图2C、2D）。各组间能量消耗（EE）振幅、活动量振幅及24小时总活动量均无差异（图2E、2F）。SL与LL组小鼠的血糖和胰岛素水平相当（图2G、2H），但高脂饮食的SL组小鼠血浆非酯化脂肪酸（NEFA）水平较LL组呈现更强的节律性（图2I）。低脂饮食小鼠中，SL组的肝糖原含量节律峰值较LL组更宽（图2J），而肝脏甘油三酯含量未显示显著节律变化（图2K）。这些数据表明季节性光照时长可调控能量代谢物的利用与储存动态。
图2. 光周期影响摄食节律性和禁食相关代谢物
3. 光照周期改变外周组织核心时钟基因转录相位及小鼠行为
作者首先探究了光照周期对节律基因相位偏移的影响。由于不同光照周期的明暗时长不同，认为使用ZT时间（昼夜节律研究中的标准时间，ZT0表示开灯时间）进行相位变化分析并不合适。因此，比较了不同时间方案对小鼠节律基因和行为同步化的能力。作者比较了标准ZT时间、以关灯时间为基准的"OffT"时间（OffT0表示关灯时刻）以及季节生物学中使用的外部时间（ExT，ExT0位于黑暗期正中间）。随后，通过比较SL和LL光照周期与EL光照周期之间肝脏基因节律性的中位相位偏移，确定了外周时钟在不同光照周期间同步化的时间方案。分析表明，不同光照周期间，外周时钟在OffT和ExT中间时刻同步（图3A-3D）。因此，提出了同步时间（ST），其中ST0位于黑暗期的四分之一处（图3A）。图3A展示了这些时间方案及各光照周期的明暗周期对齐方式。
作者研究了SL和LL光照周期中节律性肝脏基因（定义为振幅高于1 LogCPM的显著节律基因）相对于EL光照周期的相位变化，并比较不同时间方案以确定哪种方案在不同光照周期间的相位偏移最小。节律基因在ZT时间方案中同步性最差，在OffT和ExT中同步性相似，而在ST中同步性最佳（图3B）。这一结果在单个时钟基因分析中表现明显（图3C），并在其他研究组织中基本一致（图3D）。血浆皮质酮显示出相似模式，与ExT和ST同步性最佳（图3E）。虽然摄食（图3F）和活动（图3G）的24小时节律在OffT和ST中显示出同等程度的同步性。综上，改变光照周期会使得转录节律的相位和行为同步性发生变化，当采用以黑暗期四分之一处作为起始点的时间方案时，不同光照周期之间的这些变化能够更好地同步对齐。
图3. 采用暗周期起始后四分之一时间计时方案时，改变光周期会调整转录节律相位并实现不同光周期间的行为同步
4. 处于短光照（SL）周期的小鼠肝脏中禁食相关转录本振幅增强
接下来，作者探究了光周期如何改变肝脏节律基因的振幅。不同光周期对比显示，SL与LL的差异节律转录本数量最多，SL与EL的差异较少，而LL与EL之间未发现差异节律转录本（图4A）。基因被分类为相位改变、获得节律性、丧失节律性或在不同光周期中节律性相似的转录本（图4B）。尽管不同光周期间差异节律转录本数量不同，但全转录组振幅未发生整体偏移（图4C）。进一步分析SL与LL光周期间振幅差异基因发现（图4D）：脂质生成相关基因集在LL光周期振幅更高，禁食相关基因集在SL光周期振幅更高，而核碱基代谢过程相关基因集则出现相位变化（图4E）。图4F展示了SL与LL光周期间振幅差异最显著或相位变化最显著的基因。为验证节律性转录差异是否影响蛋白水平，作者检测了肝脏高表达基因Thrsp（图4D），该基因在SL与LL光周期间振幅差异最大之一（图4F）。Thrsp参与脂肪新生，其表达受禁食抑制。THRSP蛋白水平与转录水平变化趋势一致，SL光周期振幅最大，且蛋白谷值较转录延迟约8小时（图4G）。这些数据表明，光周期改变了肝脏能量代谢相关转录本的节律性，SL光周期下小鼠的禁食与营养感应相关转录本呈现更高节律性（图4H）。由此表明，光周期可调节肝脏禁食应答及脂质合成相关基因的表达波动幅度与周期性特征。
图4. 光周期调控肝脏中禁食与脂肪生成相关基因的振幅及节律性
5. 限时进食削弱光周期对呼吸交换率及禁食相关代谢物节律性的影响
光周期主要通过调控进食时间发挥作用，因此作者进一步探究不同光周期下的生理差异是否源于摄食模式变化。将8周龄雄性C57BL/6N小鼠分别饲喂低脂饮食（LFD）或高脂饮食（HFD），置于短光照（SL）或长光照（LL）周期8周后，转移至间接热量测定系统：先自由摄食8天，随后进行12天6小时限时进食（TRF），食物仅在黑暗期（D期）前6小时提供（图5A）。通过自动喂食门实现TRF，每日有效禁食18小时（图5B）。TRF期间光照期（L期）出现的微量摄食信号（图5B）源于喂食门关闭时小鼠触碰称重传感器所致。
自由摄食组能量摄入模式与前期发现一致（图2C）：SL小鼠在L期几乎不进食，而LL小鼠在L/D期均分散摄入（图5D）。TRF消除了两光周期间摄食模式差异，因所有进食均集中在相同6小时窗口。此外，TRF使LFD/HFD小鼠总能量摄入均降低，且光周期间无差异（图5C-5D）。自由摄食组中，SL小鼠呼吸交换率（RER）始终高于LL组（LFD/HFD均如此）（图5E、5F），与前队列结果（图2D）一致；而TRF消除了光周期对RER的影响。SL自由摄食小鼠RER节律性显著强于LL组（图5G），TRF虽缩小该差异（图5H），但SL小鼠仍保持略高的RER节律性（图5G）。本队列中光周期间能量消耗（EE）无差异（图5I），但TRF对SL小鼠EE的降低趋势更明显（p=0.079）（图5J）。间接量热实验期间，光周期不影响体重变化，但TRF使所有组别在适应后体重增长减缓（图5K）。与自由摄食组不同（图1K），TRF处理12天后两光周期间肝脏甘油三酯含量无差异（但HFD组仍高于LFD组）（图5M）；同样，TRF消除了首队列小鼠OffT22时段观察到的光周间肝糖原（图5N）与血浆游离脂肪酸（NEFA）（图5O）差异（对比图2I、2J）。因此，限时喂养降低了光周期对RER和禁食相关代谢物的影响。
图5. 限时进食减弱光周期对呼吸交换率及禁食相关代谢物的调控作用
6. 短光周期可显著增强小鼠能量代谢水平，而限时饲喂干预能有效拮抗该促进作用
TRF实验表明：不同光周期间多数代谢差异（RER、血浆NEFA、肝糖原、肝甘油三酯）源于摄食模式不同。但SL小鼠体脂的轻微减少可能由EE小幅增加驱动（图6A），因实验中未检测到能量摄入差异。这种EE升高并非由"伪TRF"效应（D期摄食减少）引起，因6小时TRF实际导致EE降低而非升高（图6B）。这表明短光照促进小鼠能量消耗，限时进食则抑制这一效应。
图6. 较短的光照时长会增加小鼠的能量消耗，而限时进食则会降低能量消耗
7. 褪黑激素正常小鼠对光周期的反应与褪黑激素缺陷小鼠表型相同
为探究褪黑激素节律是否改变光周期对能量代谢的影响，并验证结果在其他小鼠品系中的可重复性，作者将高脂饮食喂养的褪黑激素正常C3H/He小鼠分别置于SL或LL光周期8周，检测其能量代谢和昼夜节律变化。SL光周期下的C3H小鼠表现出与C57BL/6N小鼠一致的体重（图7A）和脂肪量增长减缓（图7B），且未检测到能量摄入差异（图7C）。与C57BL/6N小鼠类似，SL组的C3H小鼠能量摄入节律性增强（图7D）。光周期显著影响C3H小鼠的RER，SL组RER高于LL组（图7E），但不同于C57BL/6N小鼠的是其RER几乎无节律性。C3H小鼠的EE和活动24小时模式与C57BL/6N小鼠相似，且SL组EE随体重增加而升高（图7F-7G）。SL组血浆NEFA水平振幅更高（图7H），而血糖不受光周期影响（图7I）。肝糖原出现相位偏移（图7J），与C57BL/6N小鼠结果（图2J）一致。这些结果表明，C3H小鼠在体重、体脂量、能量消耗和呼吸交换率（RER）方面表现出与C57BL/6N小鼠相似的光周期效应，但光周期对其肝脏代谢无显著影响。
图7.鼠在体重、体脂量、能量消耗及呼吸交换率（RER）方面呈现与C57BL/6N小鼠相似的光周期调控效应，但其肝脏代谢不
结论
结果发现：处于冬季光周期的小鼠表现出脂代谢节律振幅增强，同时伴有体脂含量和肝脏甘油三酯水平的适度降低。通过对比褪黑激素正常与缺陷小鼠发现，季节性光照对能量代谢的影响主要源于摄食节律差异，而非褪黑激素作用。这些数据共同表明，季节性光照通过调控进食时间影响能量代谢。
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