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Nature背靠背：破解睡觉的秘密！重磅研究揭开睡眠时间、质量的关键调控机制

学术经纬 学术经纬 2022-12-28
▎药明康德内容团队编辑  

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我们都离不开睡眠，但我们却从未真正完全理解睡眠的真相。

关于睡觉，有太多未解的谜题有待破解。我们为什么需要睡眠？为什么人们对睡眠时间的需求各不相同？又为什么有些人的睡眠质量很高，另一些人却总是睡得很浅？现在，科学家正在逐步揭开这些问题背后的机制。

本周，最新一期《自然》杂志的两篇背靠背论文就让我们对睡眠的理解前进了一大步。北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院刘清华实验室以及日本国际综合睡眠医学研究所的柳泽正史（Masashi Yanagisawa）/船户弘正（Hiromasa Funato）实验室分别揭开了调控睡眠时间以及睡眠质量的关键通路。



刘清华教授指出，这项发现可能帮助理解、解决睡眠缺陷与睡眠疾病的发生，促进人类高质量睡眠和良好生活状态。

在最新研究之前，这些科学团队已经对睡眠机制进行了长期探索。

2016年，柳泽正史实验室从小鼠基因组中筛选出一个“嗜睡”突变体，其中的Sik3突变产生了特殊的Sleepy小鼠——这些小鼠13号外显子跳读，编码出SIK3的突变型蛋白SLEEPY。直接影响是，这些“嗜睡”小鼠的睡眠时间增加了4个小时之久，并且慢波睡眠活动的比例显著提高。

2年后，刘清华课题组与柳泽正史/船户弘正课题组合作，找到多个指示睡眠需求的关键蛋白——这些蛋白的磷酸化/去磷酸化循环调控着小鼠的睡眠与清醒状态，从而以全新的角度回答了“生物为何需要睡眠”这一重要科学问题。

而最新《自然》杂志的两项研究正是以SIK3为起点，揭开了全新的机制。

图片来源：123RF

其中一项研究由刘清华课题组领衔，揭示了调控小鼠睡眠时长的核心分子通路，并且提出了转录调控睡眠的新机制。

我们知道，睡眠是人类和众多动物生命活动中不可或缺的一部分，但有趣的是，不同动物对睡眠的需求有着巨大的差异：例如长颈鹿每天只需要睡2-5小时，而考拉需要18-22小时。此外，同种动物中不同个体的睡眠时间也不尽相同：多数人每天需要7-8小时的睡眠，而一些天生短睡眠者只需要睡4-6小时就能保持正常工作生活。

究竟是怎样的分子机制调控着睡眠时间？

在此前的工作中，刘清华实验室建立了高效研究小鼠睡眠的新方法：通过在小鼠中眼眶静脉注射腺相关病毒，实现成年脑嵌合基因的表达或敲除，继而通过视频记录或脑电图/肌电图记录来分析小鼠睡眠。

刘清华教授介绍，该系统极大程度地缩短了小鼠交配时间，在成年鼠脑中实现基因的快速表达或敲除、避免小鼠发育缺陷，为小鼠的遗传分析提供了便利。

▲成年小鼠脑细胞特异性基因表达及敲除系统【图片来源：Wang, G. et al. Somatic Genetics Analysis of Sleep in Adult Mice. J. Neurosci. 42, 5617 (2022)】

基于该系统，研究者首先在成年小鼠中敲除了SIK3的上游激酶LKB1。这时，小鼠的睡眠时间下降了超过3小时，说明LKB1能促进睡眠。同时，研究者观察到在LKB1敲除大脑中，SIK3的苏氨酸残基（T221）磷酸化水平下降，而携带模拟磷酸化的T221E突变可以部分提升睡眠时间，说明LKB1-SIK3激酶级联促进睡眠。

与此一致的是，研究者也在LKB1敲除大脑中观察到SIK3下游转录调节因子——组蛋白去乙酰化酶HDAC4/5的丝氨酸残基（S245）磷酸化水平下降。进一步分析发现，HDAC4/5位于LKB1下游，是抑制睡眠的转录调节因子。

立体定位注射结果表明，HDAC4/5在下丘脑后部调控睡眠时间，但并非位于已知调节睡眠/清醒的下丘脑腹外侧视前核（VLPO），而可能在全新的脑区发挥功能。此外，HDAC4/5的S245磷酸化水平随着光照期小鼠睡眠时间的积累而下降，随着黑暗期小鼠清醒时间的积累而上升，暗示存在反馈调节机制。

HDAC4/5不直接结合DNA，而是需要结合其他转录因子来发挥转录调节功能。研究者通过筛选发现，另一个与HDAC4/5相关的转录因子CREB也能抑制睡眠。HDAC4对睡眠时间的调控作用依赖于CREB。

在随后的实验中，在Sleepy小鼠中表达HDAC4或CREB均能让嗜睡小鼠的睡眠时间回归正常，同时回复其转录变化，说明HDAC4和CREB位于LKB1-SIK3下游调控睡眠时间。

▲睡眠调控的分子通路模型（图片来源：参考资料[1]）

由此，这项研究首次揭示了LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是调控睡眠时间的关键通路，阐明了睡眠时间调控的分子机制，提出了睡眠受转录调控。

在同期的另一项研究中，柳泽正史/船户弘正课题组应用传统正向和反向遗传学研究发现，LKB1–SIK3–HDAC4通路构成的信号级联反应起到了调控睡眠时间和质量的作用。

▲调控小鼠睡眠质量与睡眠量（时间）的通路（图片来源：Sara Kobayashi）

此外，研究者发现大脑皮层中兴奋性神经元的SIK3信号可以提升非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement sleep）阶段慢波的比重，代表着睡眠质量的提升；相反，位于下丘脑的兴奋性神经元中，SIK3信号不影响睡眠质量，但会增加睡眠时间。因此，大脑皮层与下丘脑分别控制睡眠的质量与数量（时间）。这项研究为理解调控非快速眼动睡眠的神经环路机制奠定了重要基础。

刘清华教授介绍道：“这两项研究发现的转录分子通路对睡眠的调控作用保守存在于小鼠、果蝇、线虫中，也有可能存在于更低等的动物中。另一方面，人类中也有HDAC4相关突变造成睡眠异常的报道。因此这些工作揭示了睡眠时间调控的核心分子机制，可以帮助我们理解人类的睡眠异常现象，并对修复或调整睡眠提供指导意义。”

刘清华实验室的博士研究生周瑞和王国栋为论文“A signalling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice”的共同第一作者；刘清华博士为通讯作者；刘清华实验室的博士后李祺博士（现遗传筛选中心主任）、刘灿博士、孟凡熙和许俊杰等也对本研究做出重要贡献，北京生命科学研究所的遗传筛选中心、张二荃实验室、核酸测序中心、生物信息中心、转基因动物中心和日本国际综合睡眠医学研究所的船户弘正博士和柳泽正史博士也对本研究做出重要贡献。

参考资料：
[1] Zhou, R., Wang, G., Li, Q. et al. A signalling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05510-6
[2] Kim, S.J., Hotta-Hirashima, N., Asano, F. et al. Kinase signalling in excitatory neurons regulates sleep quantity and depth. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05450-1


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