地球磁场是生命赖以生存的基本环境之一，生物在进化过程中也演化出了利用地磁场的能力，如趋磁细菌利用地磁场定位寻找适宜的生存环境，蚂蚁、蝴蝶、蜜蜂、家鸽、鲨鱼、海龟等利用地磁场进行定位导航，但是对于高等动物，尤其是灵长类、人类，磁感知一直被称为神秘的“第六感”，而关于生物磁响应的机制探索也一直是科研工作者关注的焦点。目前，主要的磁响应假说有以下三种:基于磁铁矿颗粒的磁响应机制假说，光依赖的自由基对磁响应假说和基于Cry/MagR生物指南针假说。　　但是，上述磁响应假说并不能解释所有磁感应现象。首先，磁铁矿颗粒的存在并不是普遍现象，对于绝大数生物，其体内并不能检测到磁铁矿颗粒的存在;其次，光依赖的自由基对磁响应假说和基于Cry-MagR复合体的生物指南针假说均需要光线的参与，因此并不能解释无光条件下的磁感应现象，比如一些鸟类的夜间导航，某些深海鱼类的导航定位，以及在无光照体外培养实验中观察到的各种细胞效应等。因此，非光依赖的磁感应研究成为了磁生物学领域中另外一个尚待突破的问题。本实验实室前期研究发现多种哺乳动物细胞增殖可以响应磁场环境的变化，并伴随Cry表达的变化，提示Cry有可能以非光依赖的机制参与更广泛的磁响应。　　由于尚无合适的脊椎动物模型来研究非光依赖的磁感应现象与机制，本论文工作首先通过大量文献调研和实验摸索，发现在无光条件下，强磁场可以促进非洲爪蛙胚胎表皮色素的黑化过程，并在据此建立了一个便于检测的非光依赖磁响应脊椎动物模型。进一步实验发现，Cry、Isca1高表达的眼睛是非洲爪蛙胚胎进行非光依赖磁感应的重要器官，将其眼睛摘除之后，则磁感应现象消失。对Cry、Isca1感磁基因Cry1/2和Isca1分别进行表达敲降分析的结果显示，Cry2敲降以后，磁感应现象消失，而Cry1和Isca1敲降则不影响非光依赖的磁感应现象。进一步Cry2表达挽回实验结果证明，胚胎恢复皮肤色素的磁感应能力，上述结果提示我们，眼睛中的Cry2是介导爪蛙色素非光依赖磁感应的重要分子。　　本论文同时还研究了色素细胞是否也具有非光依赖磁感应能力。以视网膜来源的OCM-1细胞和上皮来源的B16细胞为模型，进行无光条件的细胞培养及磁场处理的磁响应分析结果显示，亚磁场和强磁场会造成OCM-1细胞骨架组装紊乱，从而使得色素颗粒聚集。另外，B16细胞可能通过Isca1响应磁场变化进而影响细胞色素的合成。　　为检测Cry2和Isca1是否也可以介导更广泛的细胞非光依赖磁响应（如细胞增殖效应），本论文继续探索了多种细胞增殖对磁场的非光依赖响应，及Cry1、Cry2、Isca1在其中的作用。结果发现，亚磁场会促进SH-SY5Y，B16，OCM-1，N2a，293T细胞的增殖，但是会抑制A375细胞的增殖，该结果说明，亚磁场对细胞增殖的影响是不同的，和细胞来源相关。为了探索Cry1、Cry2、Isca1是否在亚磁场调控细胞增殖的过程中发挥作用，我们构建了Cry1、Cry2、Isca1基因敲降和过表达的293T稳转细胞系，证实Cry1、Cry2在无光条件下亚磁场调控293T细胞增殖的过程中发挥着重要作用。　　为了探究非光依赖磁响应的分子机制，本论文对与细胞增殖效应和上述分子相关的信号传导通路进行了分析。由于亚磁场在促进SH-SY5Y细胞增殖的过程中可能伴随着胞内ROS水平的变化，我们以此为基础继续探索了磁场与细胞增殖以及ROS之间的关系。实验结果显示，屏蔽地球磁场会促进SH-SY5Y细胞的增殖，同时会降低胞内ROS水平。而进一步的研究发现亚磁场主要降低胞内过氧化氢的水平，并不影响超氧阴离子的水平。以过氧化氢的代谢通路为线索，我们确定了亚磁场主要是降低了CuZn-SOD酶的活力导致上述结果。由于细胞环境还是一个相对复杂的环境，为了探明亚磁场如何影响了CuZn-SOD酶的活力，我们构建了CuZn-SOD酶体外反应体系。体外实验发现，亚磁场会促进体外CuZn-SOD酶蛋白的聚集，进而加速失活过程。另外，我们证实了是静态磁场在影响CuZn-SOD酶的活力。　　综上所述，我们建立了一个方便检测的非光依赖磁感应的动物色素模型和细胞增殖模型，发现眼睛是爪蛙皮肤色素响应重要的感磁器官，并且Cry2参与了动物和细胞的非光依赖的磁响应过程，该发现拓展了Cry的磁感应功能。最后，我们证实了在无光条件下屏蔽地球磁场会导致CuZn-SOD酶聚集失活，CuZn-SOD酶也可介导非光依赖的细胞增殖效应。该发现首次阐释了脊椎动物非光依赖磁响应效应及其神经、细胞、分子机制;发现了Cry2、CuZn-SOD酶的非光依赖磁响应能力，丰富了磁响应机制，并为今后进一步的研究提供了材料和线索。