Nature：刘清华团队揭示调控睡眠时间的关键分子通路

导读

你能做到一周不睡觉吗良好的睡眠对我们保证生活质量十分重要。不过有些人每天只需睡4-6个小时有些人则需要8个小时可能还不够这是什么原因导致的

其实这也是很多科学家好奇的问题最近研究人员在小鼠身上发现了调控睡眠时间的通路机制揭示了其中的答案。

在我们的生命活动过程中睡眠不可或缺它在学习、记忆、运动、代谢和免疫等过程中发挥着重要作用1-3。睡眠行为也保守存在于鸟类、章鱼、水螅等其他动物中4。然而不同动物的睡眠时长却有着巨大差异比如长颈鹿每天只需要2-5小时的睡眠5而考拉需要18-22小时6。

有趣的是同种动物中不同个体的睡眠时间也不尽相同。人类通常每天需要7-8小时睡眠而有一些人是天生短睡眠者他们只需要4-6小时睡眠就能保持正常工作生活7。目前调控睡眠时间的分子机制还不清楚。

2022年12月8日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与日本国际综合睡眠医学研究所的Masashi Yanagisawa/Hiromasa Funato实验室在 Nature 背靠背发表了一篇题为“A signaling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice”的研究论文。

这项研究揭示了调控小鼠睡眠时间的核心分子通路——LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB并提出了转录调控睡眠的新机制。

这个实验要从2016年讲起当时Yanagisawa/Funato实验室在小鼠的正向遗传学筛选中发现了一个“嗜睡”突变体该突变体中Sik3的点突变造成外显子13的跳读编码了功能获得性SLEEPY突变蛋白8从而使小鼠每天睡眠时间增加4-5个小时。刘清华实验室和Yanagisawa/Funato实验室的研究以SIK3为突破口揭示了一条调控睡眠时间的关键分子通路。

成年小鼠脑细胞特异性基因表达及敲除系统

此前刘清华实验室建立了小鼠睡眠体细胞遗传学研究的新方法通过在小鼠中眼眶静脉注射腺相关病毒adeno-associated virus实现成年脑嵌合基因表达或敲除Adult Brain Chimeric-expression/knockout继而通过视频记录SleepV或脑电图/肌电图EEG/EMG记录来分析小鼠的睡眠情况图19。

这个系统的优势在于它极大程度地缩短了小鼠交配时间将原本需要1-2年才能完成的小鼠交配和睡眠分析缩减到了1-2个月内让小鼠遗传分析像果蝇遗传分析一样方便快捷。

此外这个系统能实现基因的快速表达或敲除也能避免小鼠发育缺陷因而突破传统遗传学局限适于冗余基因和必需基因的睡眠表型分析。

由于SIK3相关分子通路中的基因都是必需基因所以本研究充分应用这个系统的优势进行小鼠睡眠的体细胞遗传分析。

研究者发现在成年小鼠中敲除SIK3的上游激酶LKB1后小鼠睡眠时间减少了3小时以上这说明LKB1也是促进睡眠的蛋白激酶。

同时研究者观察到LKB1敲除大脑中SIK3的T221磷酸化水平下降而在LKB1缺失小鼠中表达模拟T221被磷酸化从而持续激活的SIK3-ST221E 或 SLP-ST221E部分重建了LKB1缺失小鼠的睡眠时间说明LKB1-SIK3激酶级联促进睡眠。

与此相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S245磷酸化水平下降和核质比升高。干扰LKB1缺失小鼠神经元中HDAC4/5的转录活性发现其睡眠时间减少的表型被完全回复而在小鼠神经元中表达持续位于核中的HDAC4/5CN或敲除Hdac4/5分别减少或增加小鼠睡眠时间说明HDAC4/5位于LKB1下游是抑制睡眠的转录调节因子。进一步研究发现HDAC4/5对睡眠的调控作用依赖于对去乙酰化复合体NCoR/SMRT-HDAC3的募集。

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/觉醒的VLPO脑区而可能在全新的调控睡眠/觉醒脑区发挥功能。此外研究者还发现HDAC4/5的S245磷酸化水平随着黑暗期小鼠觉醒时间的积累或睡眠需求的上升而上升随着光照期小鼠睡眠时间的积累或睡眠需求的下降而下降这个现象暗示了反馈调节机制的存在。

HDAC4/5不直接结合DNA而需要结合其他转录因子来发挥转录调节功能10。研究者通过筛选发现了另一与HDAC4/5相关的转录因子CREB也能抑制睡眠。在HDAC4CN表达小鼠神经元中干扰CREB的转录活性发现HDAC4对睡眠时间的调控作用依赖于CREB。

同时转录组分析和ChIP-seq分析发现HDAC4和CREB可能结合在相同靶基因的同一位置并且同向调控其转录水平这一结果与HDAC4和CREB在睡眠调控中扮演的角色相一致。进一步地在Sleepy小鼠中表达HDAC4CN或CREB均能回补其嗜睡表型同时也能回复其转录变化这说明HDAC4和CREB位于LKB1-SIK3下游调控睡眠时间。

研究团队的这一系列工作首次揭示LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是调控睡眠时间的关键信号通路图2阐明了睡眠时间受转录调控的分子机制。

睡眠调控的分子通路模型

在未来这项研究或许可以帮助我们理解和解决睡眠缺陷与睡眠疾病的问题进一步促进人类探索高质量睡眠、构建良好的生活状态。

刘清华实验室的博士研究生周瑞和王国栋为本论文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我所的张二荃实验室、遗传筛选中心、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Hiromasa Funato教授和Masashi Yanagisawa院士也对本研究做出重要贡献。本研究在北京生命科学研究所完成受到了北京市科学技术委员会的“前沿创新项目”和科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目等的大力资助。

参考文献

1.Tononi, G. & Cirelli, C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron 81, 12-34 (2014).

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7.Zheng, L. & Zhang, L. The molecular mechanism of natural short sleep: A path towards understanding why we need to sleep. Brain Sci. Adv. 8, 165-172 (2022).

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9.Wang, G. et al. Somatic Genetics Analysis of Sleep in Adult Mice. J. Neurosci. 42, 5617 (2022).

10. Wang, Z., Qin, G. & Zhao, T. C. HDAC4: mechanism of regulation and biological functions. Epigenomics 6, 139-150 (2014).

论文链接

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

来源北京生命科学研究所