睡眠對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。但為什么有的人只需睡四五個(gè)小時(shí)就精力充沛，而有的人卻需更久的睡眠時(shí)間來(lái)恢復(fù)精力呢？

北京生命科學(xué)研究所資深研究員劉清華團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)小鼠的研究，發(fā)現(xiàn)了調(diào)控小鼠睡眠時(shí)間的關(guān)鍵信號(hào)通路，闡明了睡眠時(shí)間受轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制，幫助人們理解人類(lèi)的睡眠異?，F(xiàn)象，并為修復(fù)或調(diào)整睡眠提供指導(dǎo)。相關(guān)研究成果12月8日在線發(fā)表于《自然》。

建平臺(tái)破解難題

睡眠廣泛存在于脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物中。然而，不同動(dòng)物的睡眠時(shí)間卻存在巨大差異，比如長(zhǎng)頸鹿每天只需要兩小時(shí)睡眠，而蝙蝠需要20小時(shí)。與此同時(shí)，同類(lèi)種群內(nèi)部也存在著擁有不同睡眠模式的群體，如天然短睡眠者、發(fā)作性睡病者、睡眠狀態(tài)提前綜合征患者等。

“在進(jìn)化過(guò)程中，這些睡眠模式上的不同也許是由不同物種的基因組決定的，一些特異的遺傳突變也能夠解釋同類(lèi)種群內(nèi)部少數(shù)個(gè)體的睡眠異常?！闭撐耐ㄓ嵶髡邉⑶迦A告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，研究睡眠調(diào)控的分子機(jī)制對(duì)理解和治療睡眠相關(guān)疾病至關(guān)重要。

關(guān)于睡眠基因研究中，較為突出的工作之一是日本筑波大學(xué)教授柳沢正史等在小鼠的正向遺傳學(xué)篩選中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“Sleepy（嗜睡）”突變體。該突變體中Sik3基因的點(diǎn)突變?cè)斐赏怙@子13的跳讀，這使得它表達(dá)具有“嗜睡”功能的突變蛋白，從而使突變小鼠每天睡眠時(shí)間增加4至5個(gè)小時(shí)。

劉清華說(shuō)，這一工作表明了Sik3基因?qū)λ哒{(diào)控的重要性，但是還不清楚內(nèi)源調(diào)控睡眠的核心機(jī)制與分子通路。

睡眠對(duì)動(dòng)物的生存是必需的，長(zhǎng)期睡眠剝奪會(huì)致死，因此調(diào)控睡眠的關(guān)鍵基因很可能是必需基因或冗余基因。而當(dāng)前小鼠遺傳研究中，研究必需基因和冗余基因需要繁雜而耗時(shí)的小鼠交配，致使很多研究難以開(kāi)展。這是小鼠睡眠研究的一大障礙。

為了解決這個(gè)難題，實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了基于腺相關(guān)病毒（AAV）的成年小鼠大腦嵌合表達(dá)/敲除系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展睡眠分析。這一系統(tǒng)大大加快了研究進(jìn)程。

尋找調(diào)控機(jī)理

研究人員首先選擇敲除了SIK3基因的上游激酶LKB1。LKB1即“肝激酶B1”，是一種蛋白激酶，在包括肝臟、大腦等在內(nèi)的多個(gè)器官中均有表達(dá)。研究人員在成年鼠腦敲除LKB1后發(fā)現(xiàn)，小鼠睡眠時(shí)間減少了3小時(shí)以上，這說(shuō)明LKB1也是促進(jìn)睡眠的蛋白激酶。

與此同時(shí)，研究人員觀察到，敲除LKB1后，小鼠大腦SIK3的T221磷酸化水平下降，而在LKB1缺失鼠腦神經(jīng)元中表達(dá)模擬的T221被磷酸化，從而持續(xù)激活的SIK3蛋白部分修復(fù)了LKB1缺失小鼠減少的睡眠時(shí)間，這意味著LKB1-SIK3激酶級(jí)聯(lián)促進(jìn)睡眠。

研究人員發(fā)現(xiàn)LKB1缺失鼠腦中組蛋白去乙酰酶HDAC4和HDAC5被異常激活，并通過(guò)干擾LKB1缺失鼠腦神經(jīng)元中HDAC4/5的轉(zhuǎn)錄活性，發(fā)現(xiàn)其睡眠時(shí)間減少的“特征”被完全恢復(fù)。此外，在正常鼠腦神經(jīng)元中過(guò)表達(dá)持續(xù)性激活的HDAC4/5會(huì)減少睡眠時(shí)間，而敲除HDAC4/5會(huì)造成嗜睡的表型。

他們通過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)，另一與HDAC4/5相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子CREB也能抑制睡眠。一系列分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HDAC4和CREB可能結(jié)合在相同靶基因的同一位置，并且同向調(diào)控其轉(zhuǎn)錄水平，這一結(jié)果與HDAC4和CREB在睡眠調(diào)控中扮演的角色相一致。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在Sleepy小鼠中表達(dá)HDAC4CN或CREB均能回補(bǔ)其嗜睡表型，同時(shí)能恢復(fù)其轉(zhuǎn)錄變化。這表明了HDAC4和CREB位于LKB1-SIK3下游且調(diào)控睡眠時(shí)間。

這一系列工作首次揭示LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是調(diào)控小鼠睡眠時(shí)間的關(guān)鍵信號(hào)通路，闡明了睡眠時(shí)間受轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制。

其中，Lkb1、Sik3、Hdac4、Creb1都是必需基因，而Hdac4和Hdac5是冗余基因。運(yùn)用科研人員發(fā)展的成年小鼠大腦嵌合表達(dá)/敲除系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)遺傳學(xué)通常需要1至2年的實(shí)驗(yàn)，僅需1至2個(gè)月就可以完成睡眠表型分析。

指導(dǎo)理解人類(lèi)睡眠疾病

劉清華表示，我們建立的成年小鼠體細(xì)胞遺傳睡眠研究平臺(tái)，將為睡眠及其他神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的遺傳研究帶來(lái)新的方法和視角。

同時(shí)，此次發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄分子通路對(duì)睡眠的調(diào)控作用保守存在于小鼠、果蠅、線蟲(chóng)中，也有可能存在于更低等的動(dòng)物中。此外，也有HDAC4相關(guān)突變?cè)斐扇耸人膱?bào)道。

因此，這項(xiàng)工作揭示了睡眠時(shí)間調(diào)控的核心分子機(jī)制，可以幫助我們理解人類(lèi)的睡眠疾病，并對(duì)其診斷和治療提供指導(dǎo)。

研究睡眠需要了解分子機(jī)制與環(huán)路機(jī)制。劉清華越發(fā)意識(shí)到，要想回答睡眠是如何被調(diào)控的，這兩者缺一不可。下一步，他們的研究將集中于這些調(diào)控睡眠的分子是在哪些神經(jīng)元或腦區(qū)中發(fā)揮功能，以及調(diào)控了神經(jīng)元中哪些過(guò)程從而調(diào)控睡眠。

“在此基礎(chǔ)上，我們希望解析睡眠的發(fā)生、維持和結(jié)束在分子和細(xì)胞水平上究竟經(jīng)歷了怎樣的變化?！眲⑶迦A說(shuō)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05510-6

（原標(biāo)題《誰(shuí)在掌控睡眠時(shí)間》）