Nature：興奮性神經(jīng)元調(diào)節(jié)睡眠質(zhì)量和深度
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目前，我們對(duì)睡眠和覺醒在神經(jīng)回路層面調(diào)節(jié)的研究取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。然而，調(diào)節(jié)睡眠的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路和這些細(xì)胞內(nèi)機(jī)制起作用的神經(jīng)元群在很大程度上仍然未知。
近日，Hiromasa Funato團(tuán)隊(duì)在小鼠中使用正向遺傳學(xué)（forward genetics）方法，鑒定出組蛋白脫乙酰酶4(HDAC4)為睡眠調(diào)節(jié)分子，發(fā)現(xiàn)鹽誘導(dǎo)激酶3(SIK3)的底物Hdac4的單倍不足會(huì)增加睡眠。他們的成果發(fā)表在Nature雜志上，名為“Kinase signalling in excitatory neurons regulates sleep quantity and depth”。
睡眠具有穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的性質(zhì)，最新的報(bào)道稱，有幾個(gè)神經(jīng)元群參與睡眠穩(wěn)態(tài)。然而，目前尚不清楚哪些細(xì)胞內(nèi)事件通過特定細(xì)胞群調(diào)節(jié)睡眠的時(shí)間和深度。此前，本文作者通過EEG和EMG的隨機(jī)誘變小鼠篩選，將 SIK3 確定為睡眠穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵組成部分。Sik3 中的剪接突變，即 Sleepy (Slp) 等位基因，導(dǎo)致 NREMS（non-rapid eye movement sleep） 期間 NREMS 時(shí)間和 EEG delta 功率增加，這是睡眠需求和睡眠深度的指標(biāo)。神經(jīng)元中 SIK3(SLP) 的表達(dá)增加了 NREMS期間的睡眠時(shí)間和 EEG delta 功率。
本研究，作者使用無偏見的正向遺傳學(xué)方法，結(jié)合小鼠靶向遺傳分析，來闡明 SIK3 信號(hào)傳導(dǎo)的上游和下游分子通路，并確定這些通路在大腦中的哪個(gè)位置，以及在哪些類型的神經(jīng)元中調(diào)節(jié)睡眠。
Hdac4和Hdac5的減少會(huì)增加 NREMS
通過對(duì)隨機(jī)誘變的 C57B/6J 雄性小鼠進(jìn)行顯性篩選，建立了一個(gè)長(zhǎng)睡眠譜系 Sleepy2 (Slp2)。N2后代表現(xiàn)出減少總清醒時(shí)間的顯性特征（圖1a）。分析表明，Slp2 譜系的 12 只長(zhǎng)睡眠小鼠中有 10 只在剪接位點(diǎn)具有 Hdac4 突變。
純合 Hdac4 SA 小鼠具有異常的 Hdac4 轉(zhuǎn)錄物，缺乏 HDAC4 蛋白產(chǎn)生（圖1c）并且表現(xiàn)出嚴(yán)重的生長(zhǎng)遲緩。相比之下，雜合子 Hdac4 SA小鼠健康且可育。與 Hdac4 +/+小鼠相比，Hdac4 SA/+小鼠的蘇醒時(shí)間更短，NREMS 時(shí)間增加（圖1d），并且在基線和睡眠剝奪后的 NREMS 期間 EEG delta 功率更高（圖1e，f）。因此，Hdac4 的遺傳或藥理學(xué)抑制會(huì)促進(jìn) NREMS。
純合子 Hdac5SA 小鼠可育的且沒有表現(xiàn)出明顯的異常。Hdac5SA小鼠表現(xiàn)出增加的 NREMS 時(shí)間和深度（圖1g-i）。Hdac4 SA/+ 和 Hdac5 SA/+的雙雜合性小鼠的總 NREMS 時(shí)間具有累加效應(yīng)（圖1j）。
圖1. Hdac4 和 Hdac5 的功能缺失突變會(huì)增加 NREMS。
SIK3通過HDAC4增強(qiáng)NREMS
在大腦皮層中，HDAC4 核免疫反應(yīng)的強(qiáng)度在ZT12.5時(shí)比在 ZT6 時(shí)更高（圖2a、b）。睡眠剝奪后，皮質(zhì)中核部分中的 HDAC4 低于自由睡眠（圖2c）。這些發(fā)現(xiàn)表明，當(dāng)睡眠需求高時(shí)，HDAC4核水平會(huì)降低，這與雜合子 Hdac4 功能不全的 NREMS 增加一致。
與野生型 SIK3 相比，SIK3(S551A) 進(jìn)一步抑制了 HDAC4 對(duì)MEF2C 依賴性轉(zhuǎn)錄的反式抑制（圖2e）。SIK3 和 SIK3(S551A) 的這種抑制被 HDAC4(S245A) 消除（圖2f）。與野生型小鼠相比，Sik3Slp/+小鼠在腦勻漿中表現(xiàn)出 S245 處 HDAC4 磷酸化增加（圖2g），并且在 ZT12.5 處HDAC4 核減少（圖2d）。這些結(jié)果表明， S245 磷酸化影響SIK3(S551A) 和 SIK3(SLP) 對(duì) HDAC4 功能的增益特性。
在 Sik3Slp 小鼠中表達(dá) HDAC4(S245A) 消除了睡眠時(shí)間和 EEG delta 功率方面的嗜睡表型（圖2l-o）。因此，抗磷酸化 HDAC4 的存在導(dǎo)致睡眠表型與 Hdac4 單倍量不足時(shí)相反，這掩蓋了 Sik3Slp 突變的影響。
圖2. SIK3–HDAC4 對(duì)睡眠和覺醒的相互作用。
SIK3激酶在NREM調(diào)控中的活性
LKB1 缺乏或 SIK3 的 T221 被丙氨酸取代可能會(huì)降低 NREMS。將他莫昔芬施用于 Syn1creERT；Lkb1flox/flox小鼠，以在神經(jīng)元中誘導(dǎo) LKB1 缺陷。這些小鼠表現(xiàn)出NREMS 時(shí)間減少和 NREMS delta 功率以及對(duì)睡眠剝奪的抑制反應(yīng)（圖3a-c）。
盡管純合 Sik3T221A 小鼠表現(xiàn)出與 Sik3 缺陷小鼠相似的嚴(yán)重生長(zhǎng)遲緩和過早死亡，但雜合 Sik3T221A小鼠是健康的并且表現(xiàn)出輕度降低的 NREMS delta 功率，且NREMS 時(shí)間沒有變化（圖3d-f）。
雜合 Sik3Slp;T221A 小鼠表現(xiàn)出更長(zhǎng)的總清醒時(shí)間、更短的總 NREMS 時(shí)間和更短的 NREMS 發(fā)作持續(xù)時(shí)間（圖3j-l）。這些結(jié)果進(jìn)一步支持 Sik3Slp小鼠中增加的 NREMS 時(shí)間和增量密度取決于完整的激酶活性。
圖3.神經(jīng) LKB1 缺陷和 SIK3 激酶活性修飾小鼠的睡眠-覺醒
睡眠需求的轉(zhuǎn)錄變化
來自接受 AAV-Sik3Slp 的皮質(zhì)樣本在谷氨酸能神經(jīng)元中有 133 個(gè)上調(diào)基因和 32 個(gè)下調(diào)基因（圖4a、c、d、f、g）。睡眠剝奪主要影響谷氨酸能神經(jīng)元中的基因表達(dá)，但其他細(xì)胞類型也受到影響（圖4b、c）。當(dāng)將睡眠剝奪小鼠的大腦皮層與自由睡眠小鼠的大腦皮層進(jìn)行比較時(shí)，谷氨酸能神經(jīng)元中分別有 2,685 個(gè)基因上調(diào)和 394 個(gè)基因下調(diào)（圖4e-g）。
圖4. 單核轉(zhuǎn)錄組變化和與睡眠需求相關(guān)的分子通路。
結(jié) 論
作者在Sik3Slp小鼠中證明了，興奮性神經(jīng)元中的 SIK3 通路會(huì)改變時(shí)間常數(shù)，以減緩S過程或睡眠需求的動(dòng)態(tài)。大腦皮層興奮性神經(jīng)元中的 SIK3和HDAC4 參與調(diào)節(jié)NREMS delta功率或睡眠深度。
此外，下丘腦興奮性神經(jīng)元中的 SIK3和HDAC4 參與 NREMS 時(shí)間或睡眠量的調(diào)節(jié)。闡明調(diào)節(jié)睡眠時(shí)間和深度的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)機(jī)制，最終將使我們能夠理解人們?yōu)槭裁此X，也能了解睡眠障礙的病理生理學(xué)并制定治療干預(yù)措施。
參考文獻(xiàn)：
Kim SJ, Hotta-Hirashima N, Asano F, Kitazono T, Iwasaki K, Nakata S, Komiya H, Asama N, Matsuoka T, Fujiyama T, Ikkyu A, Kakizaki M, Kanno S, Choi J, Kumar D, Tsukamoto T, Elhosainy A, Mizuno S, Miyazaki S, Tsuneoka Y, Sugiyama F, Takahashi S, Hayashi Y, Muratani M, Liu Q, Miyoshi C, Yanagisawa M, Funato H. Kinase signalling in excitatory neurons regulates sleep quantity and depth. Nature. 2022 Dec;612(7940):512-518. doi: 10.1038/s41586-022-05450-1. Epub 2022 Dec 7. PMID: 36477539.
編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
