導(dǎo)讀

你能做到一周不睡覺嗎？良好的睡眠對(duì)我們保證生活質(zhì)量十分重要。不過，有些人每天只需睡4-6個(gè)小時(shí)，有些人則需要8個(gè)小時(shí)（可能還不夠），這是什么原因?qū)е碌模?/p>

其實(shí)，這也是很多科學(xué)家好奇的問題，最近，研究人員在小鼠身上發(fā)現(xiàn)了調(diào)控睡眠時(shí)間的通路機(jī)制，揭示了其中的答案。

在我們的生命活動(dòng)過程中，睡眠不可或缺，它在學(xué)習(xí)、記憶、運(yùn)動(dòng)、代謝和免疫等過程中發(fā)揮著重要作用1-3。睡眠行為也保守存在于鳥類、章魚、水螅等其他動(dòng)物中4。然而，不同動(dòng)物的睡眠時(shí)長(zhǎng)卻有著巨大差異，比如長(zhǎng)頸鹿每天只需要2-5小時(shí)的睡眠5，而考拉需要18-22小時(shí)6。

有趣的是，同種動(dòng)物中不同個(gè)體的睡眠時(shí)間也不盡相同。人類通常每天需要7-8小時(shí)睡眠，而有一些人是天生短睡眠者，他們只需要4-6小時(shí)睡眠，就能保持正常工作生活7。目前，調(diào)控睡眠時(shí)間的分子機(jī)制還不清楚。

2022年12月8日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院劉清華實(shí)驗(yàn)室，與日本國(guó)際綜合睡眠醫(yī)學(xué)研究所的Masashi Yanagisawa/Hiromasa Funato實(shí)驗(yàn)室，在?Nature?背靠背發(fā)表了一篇題為“A signaling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice”的研究論文。

這項(xiàng)研究揭示了調(diào)控小鼠睡眠時(shí)間的核心分子通路——LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB，并提出了轉(zhuǎn)錄調(diào)控睡眠的新機(jī)制。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)要從2016年講起，當(dāng)時(shí)，Yanagisawa/Funato實(shí)驗(yàn)室在小鼠的正向遺傳學(xué)篩選中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“嗜睡”突變體，該突變體中Sik3的點(diǎn)突變?cè)斐赏怙@子13的跳讀，編碼了功能獲得性SLEEPY突變蛋白8，從而使小鼠每天睡眠時(shí)間增加4-5個(gè)小時(shí)。劉清華實(shí)驗(yàn)室和Yanagisawa/Funato實(shí)驗(yàn)室的研究以SIK3為突破口，揭示了一條調(diào)控睡眠時(shí)間的關(guān)鍵分子通路。

此前，劉清華實(shí)驗(yàn)室建立了小鼠睡眠體細(xì)胞遺傳學(xué)研究的新方法：通過在小鼠中眼眶靜脈注射腺相關(guān)病毒（adeno-associated virus），實(shí)現(xiàn)成年腦嵌合基因表達(dá)或敲除（Adult Brain Chimeric-expression/knockout），繼而通過視頻記錄（SleepV）或腦電圖/肌電圖（EEG/EMG）記錄來分析小鼠的睡眠情況（圖1）9。

這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，它極大程度地縮短了小鼠交配時(shí)間，將原本需要1-2年才能完成的小鼠交配和睡眠分析，縮減到了1-2個(gè)月內(nèi)，讓小鼠遺傳分析像果蠅遺傳分析一樣方便快捷。

此外，這個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基因的快速表達(dá)或敲除，也能避免小鼠發(fā)育缺陷，因而突破傳統(tǒng)遺傳學(xué)局限，適于冗余基因和必需基因的睡眠表型分析。

由于SIK3相關(guān)分子通路中的基因都是必需基因，所以本研究充分應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行小鼠睡眠的體細(xì)胞遺傳分析。

研究者發(fā)現(xiàn)，在成年小鼠中敲除SIK3的上游激酶LKB1后，小鼠睡眠時(shí)間減少了3小時(shí)以上，這說明LKB1也是促進(jìn)睡眠的蛋白激酶。

同時(shí)，研究者觀察到LKB1敲除大腦中SIK3的T221磷酸化水平下降，而在LKB1缺失小鼠中表達(dá)模擬T221被磷酸化，從而持續(xù)激活的SIK3-ST221E?或?SLP-ST221E部分重建了LKB1缺失小鼠的睡眠時(shí)間，說明LKB1-SIK3激酶級(jí)聯(lián)促進(jìn)睡眠。

與此相一致的是，研究者也在LKB1敲除大腦中觀察到SIK3下游轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，組蛋白去乙?；窰DAC4/5的S245磷酸化水平下降和核質(zhì)比升高。干擾LKB1缺失小鼠神經(jīng)元中HDAC4/5的轉(zhuǎn)錄活性發(fā)現(xiàn)其睡眠時(shí)間減少的表型被完全回復(fù)，而在小鼠神經(jīng)元中表達(dá)持續(xù)位于核中的HDAC4/5CN或敲除Hdac4/5分別減少或增加小鼠睡眠時(shí)間，說明HDAC4/5位于LKB1下游，是抑制睡眠的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)HDAC4/5對(duì)睡眠的調(diào)控作用依賴于對(duì)去乙?；瘡?fù)合體NCoR/SMRT-HDAC3的募集。

立體定位注射結(jié)果表明，HDAC4/5在下丘腦后部調(diào)控睡眠時(shí)間，但并非位于已知調(diào)節(jié)睡眠/覺醒的VLPO腦區(qū)，而可能在全新的調(diào)控睡眠/覺醒腦區(qū)發(fā)揮功能。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)HDAC4/5的S245磷酸化水平隨著黑暗期小鼠覺醒時(shí)間的積累或睡眠需求的上升而上升，隨著光照期小鼠睡眠時(shí)間的積累或睡眠需求的下降而下降，這個(gè)現(xiàn)象暗示了反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的存在。

HDAC4/5不直接結(jié)合DNA，而需要結(jié)合其他轉(zhuǎn)錄因子來發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能10。研究者通過篩選發(fā)現(xiàn)了另一與HDAC4/5相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子CREB也能抑制睡眠。在HDAC4CN表達(dá)小鼠神經(jīng)元中干擾CREB的轉(zhuǎn)錄活性，發(fā)現(xiàn)HDAC4對(duì)睡眠時(shí)間的調(diào)控作用依賴于CREB。

同時(shí)，轉(zhuǎn)錄組分析和ChIP-seq分析發(fā)現(xiàn)，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)一步地，在Sleepy小鼠中表達(dá)HDAC4CN或CREB均能回補(bǔ)其嗜睡表型，同時(shí)也能回復(fù)其轉(zhuǎn)錄變化，這說明HDAC4和CREB位于LKB1-SIK3下游調(diào)控睡眠時(shí)間。

研究團(tuán)隊(duì)的這一系列工作，首次揭示LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是調(diào)控睡眠時(shí)間的關(guān)鍵信號(hào)通路（圖2），闡明了睡眠時(shí)間受轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機(jī)制。

在未來，這項(xiàng)研究或許可以幫助我們理解和解決睡眠缺陷與睡眠疾病的問題，進(jìn)一步促進(jìn)人類探索高質(zhì)量睡眠、構(gòu)建良好的生活狀態(tài)。

劉清華實(shí)驗(yàn)室的博士研究生周瑞和王國(guó)棟為本論文的共同第一作者；劉清華博士為通訊作者；劉清華實(shí)驗(yàn)室的博士后李祺博士（現(xiàn)遺傳篩選中心主任）、劉燦博士、孟凡熙和許俊杰等也對(duì)本研究做出重要貢獻(xiàn)，我所的張二荃實(shí)驗(yàn)室、遺傳篩選中心、核酸測(cè)序中心、生物信息中心、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中心和日本國(guó)際綜合睡眠醫(yī)學(xué)研究所的Hiromasa Funato教授和Masashi Yanagisawa院士也對(duì)本研究做出重要貢獻(xiàn)。本研究在北京生命科學(xué)研究所完成，受到了北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的“前沿創(chuàng)新項(xiàng)目”和科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目等的大力資助。

參考文獻(xiàn)：

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論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05510-6

來源：北京生命科學(xué)研究所

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