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睡眠时间背后遗传学基础:你是“瞌睡虫”还是“无梦者”?

作者:- 文章来源:- 点击数:196 更新时间:2016/11/19 9:50:36

  文章来源:赛先生微信公众号

  有的人睡得越多感觉越好,另一些人则说他们一晚只需睡上短短几个小时。有的人能清楚地记得自己的梦,另一些人却记不住。这些个体差异背后的遗传学基础是什么呢?在正向遗传筛选中,研究者诱导基因发生随机突变,然后评估每个变异对研究者感兴趣的行为或生物性状的效果。在《自然》最近发表的一篇论文Forward-genetics analysis of sleep in randomly mutagenized mice中,筑波大学的船戸弘正及同事报告了一项大型正向遗传筛选研究,并发现了两个调节小鼠睡眠规律的基因突变。

  正向遗传筛选被认为是发现和表征前所未知的基因作用的黄金标准,但一个关键的前提条件是这些性状能被准确地评定(也即能被表型)。20多年前,通过长期记录小鼠的作息周期,人们得到了小鼠昼夜节律的表型,科学家们因此能使用正向遗传筛选方法找出与之相关的基因,但要将这种方法成功应用于哺乳动物一直都很困难,因为哺乳动物的睡眠过程更为复杂。

  睡眠不是简单的休息。它包括两种状态——非快速动眼睡眠(NREM睡眠,又称深度睡眠)和快速眼动睡眠(REM睡眠,又称异相睡眠,有时也被称为有梦睡眠)。对睡眠进行准确地表型颇具挑战性,因为这需要通过对脑波和肌肉活动的电生理信号进行长期的大规模记录,以分辨和量化睡眠的各个状态。

  船戸弘正及同事接受了这一挑战,他们对8000多只小鼠进行了持续两天的睡眠规律记录,这些小鼠都携带着它们父母中一方被随机诱导产生的遗传变异。其中一组平均每天睡15小时,比参与遗传筛选的小鼠全体的平均睡眠时长3.5小时以上,而且比此前记录的实验室小鼠的睡眠时间也长得多。作者们给了这些突变小鼠一个恰如其分的名字——瞌睡虫。

图1。 睡眠筛选船戸弘正等人进行了正向遗传筛选,来寻找调节小鼠睡眠行为的基因中的突变。在正向遗传学中,研究者在小鼠DNA中随机诱导产生不显著的突变(红色),然后与野生型交配,并对其后代进行分析,确认研究者有意研究的行为是否发生了改变。在本文所述的研究中,作者通过测量脑波和肌肉运动的电生理信号分析了8000多只子代小鼠的睡眠行为,并发现两组小鼠(分别被称为瞌睡虫和无梦者)各自产生了深度睡眠增加和快速眼动睡眠减少的现象。后续的测序工作发现,瞌睡虫小鼠中的突变影响了一个叫作Sik3的基因,而无梦者小鼠的突变则会影响Nalcn基因。图1。 睡眠筛选船戸弘正等人进行了正向遗传筛选,来寻找调节小鼠睡眠行为的基因中的突变。在正向遗传学中,研究者在小鼠DNA中随机诱导产生不显著的突变(红色),然后与野生型交配,并对其后代进行分析,确认研究者有意研究的行为是否发生了改变。在本文所述的研究中,作者通过测量脑波和肌肉运动的电生理信号分析了8000多只子代小鼠的睡眠行为,并发现两组小鼠(分别被称为瞌睡虫和无梦者)各自产生了深度睡眠增加和快速眼动睡眠减少的现象。后续的测序工作发现,瞌睡虫小鼠中的突变影响了一个叫作Sik3的基因,而无梦者小鼠的突变则会影响Nalcn基因。

  研究者们发现,深度睡眠在瞌睡虫小鼠体内被特异地改变了。这些变异小鼠的基准深度睡眠更深;相较于对照组,在缺觉时的深度睡眠也更深。这些小鼠能对咖啡因等提神物质做出反应,船戸弘正和同事也并未发现它们行为异常的证据,因而排除了睡眠增加原因是促进觉醒的神经回路的缺陷这种可能。它们的昼夜节律也并无明显异常。这一发现很有意思,人们此前发现,改变负责昼夜节律控制的基因都会影响睡眠,但现在的实验表明,基于睡眠的效应和基于昼夜节律的效应是可以分开的。

  船戸弘正及同事发现,瞌睡虫小鼠体内的变异会影响Sik3基因,此前,人们并不认为它与睡眠有联系。一个单核苷酸突变使得Sik3基因的第13个蛋白编码区域(外显子)没有被包含在SIK3蛋白中,这想必改变了蛋白的活性。SIK3是一种在全身和脑部都有表达的蛋白激酶,而且不仅是在已知的睡眠调节区域。这一点与控制昼夜节律的生物钟基因相似,生物钟基因也不只在脑部的昼夜节律主调节区域表达,而会在全身表达。这篇论文的一个优点在于,作者确认了瞌睡虫小鼠确实是由Sik3基因的第13个外显子被跳过造成的。通过诱导同位点突变和使用精密的基因编辑技术,他们再现了瞌睡虫的表现型。另外,他们还表明Sik3基因突变同样会影响果蝇和蛔虫类似睡眠的行为,这意味着这一基因是在演化过程中保留下来的。

  在筛选中,船戸弘正和同事发现了另一组小鼠,他们称之为无梦者。在这些小鼠中,快速眼动睡眠时间出现了惊人的减少,减少量达到了44%,持续时间也比正常小鼠更短。说它们无梦可能夸张了点——它们仍然保留了一些快速眼动睡眠,而且人类在深度睡眠阶段也会做梦(还有一些人怀疑老鼠究竟有没有梦境),但与对照组相比,无梦者小鼠的快速眼动睡眠时间很短。研究者表示,无梦者小鼠中的突变影响了Nalcn基因,该基因编码一种离子通道蛋白,这种蛋白此前被认为与果蝇神经元兴奋性的昼夜节律调节有关。

  和瞌睡虫小鼠不同,无梦者小鼠的昼夜节律表现型出现了改变——当它们被置于长期黑暗的环境中时,休息与活动之间的活动强度差异缩小了。这一点很有意思,因为快速眼动睡眠——而不是深度睡眠——是在昼夜节律的强力控制之下的。最后,与对照组相比,无论是在快速眼动睡眠、深度睡眠还是清醒时,两组变异小鼠通过电生理学方法检测出的脑波也都发生了改变。这一发现意味着这些突变会影响所有的警醒阶段,只能通过在本研究中所进行的综合表型来得到。

  这项研究有哪些意义呢?睡眠对脑和身体发挥着多种功能,包括调节学习、记忆和代谢。船戸弘正与同事发现的新突变为识别睡眠发挥这些功能的机制创造了新途径。举例来说,瞌睡虫和无梦者小鼠的突变是否会导致上述性状的变化就能立刻反映出来。

  这项研究可能还具有临床意义。一个显而易见的问题是,人类Sik3的突变是否和一种名叫特发性嗜睡症的疾病相关——该病患者极度嗜睡,而且睡眠时间很长。另一个问题是,Nalcn突变是否在与年龄相关的认知能力减退(在人类中,这一现象的先兆是快速眼动睡眠减少)当中扮演了某种角色?

  值得一提的是,船戸弘正等人并没有发现完全不睡的小鼠,而昼夜节律会因一个变异而完全消失,与这一结果形成了鲜明对比。这或许是因为睡眠涉及的基因太多,一项正向遗传筛选无法产生一只完全不睡觉的动物,也或许是因为不睡觉的小鼠无法存活下来,意味着这些变异无法被识别出来。

  综合来看,通过将综合表型和最新的遗传学与分子工具结合起来,船戸弘正和同事的这项优秀研究表现出了对睡眠重要性与复杂性的高度重视。这种方法揭示出了改变所有哺乳动物都经历的两大睡眠阶段时长的新变异。

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