兴奋性神经元内的分子信号控制睡眠——阐明睡眠的量和质量决定的机制——
谁都需要睡眠，但为什么必须睡觉至今仍是个谜。 本研究小组关注了解开这个谜题的关键酶( SIK3 )。 这种酶调节大脑中与睡眠相关的反应链，形成调节睡眠质量和数量的分子信号。 但是，不知道SIK3是通过与什么样的分子形成连锁来控制睡眠的，是通过什么细胞来决定睡眠的量和质量的。 本研究在世界上首次明确了其连锁(分子信号)的详细情况和这个分子信号调节的基因组。
另外，发现睡眠质量由大脑皮质的兴奋性神经元注1 )控制，量由下丘脑的兴奋性神经元控制。 利用病毒载体，通过后天改变睡眠的量和质，也成功地进一步验证了这种分子信号。
睡眠是身心健康不可缺少的，睡眠障碍会增加精神病、糖尿病、心脏病、阿尔茨海默病等痴呆症的风险，也会降低白天大脑的表现。 据说在我国，很多国民都有睡眠债(睡眠不足引起的身心失调)，期待通过理解控制睡眠量和质量的机制，为开发新的睡眠控制方法和睡眠障碍治疗方法做出贡献。
研究代表 筑波大学国际综合睡眠医生科学研究机构( WPI-IIIS ) 柳泽正史教授机构主任 东邦大学研究生院医学研究科/筑波大学国际综合睡眠医科学研究机构 船户弘正教授/客座教授
睡眠是健康的必需因素，睡眠不足会导致白天大脑效能下降，增加情绪障碍、代谢综合征、痴呆症等风险。 另外，任何动物都会睡觉，由此可知睡眠对于个体的生存是必要的。 另外，睡眠不仅时间重要，质量也重要，浅睡会导致起床后无法获得熟睡感，白天产生睡意，增加失误和事故的风险。 但是，睡眠的必要性和控制睡眠量和质量的机制尚不清楚。 本研究小组根据2016年随机点变异小鼠注2 )的睡眠筛选，发现蛋白质磷酸化酶注3 ) SIK3是与大脑要求睡眠程度(睡眠压力)相关的重要分子。 之后的研究还显示，SIK3在神经元中工作以控制睡眠。 因此，这次，除了顺遗传学注4 )之外，还组合了各种方法，讨论了SIK3形成了什么样的分子级联注5 )来控制睡眠(论文a以及论文b )，以及讨论了睡眠的量和质由哪个神经元群体控制(论文a )。
本研究小组通过基于随机点突变小鼠脑电图的睡眠筛查，建立了睡眠时间比平时长的小鼠家系Sleepy2。 在这个Sleepy2变异家系中，发生了组蛋白脱乙酰化酶注6 ) HDAC4基因的变异，其表达被发现下降。 与HDAC4同源性注7 )较高的HDAC5表达降低的小鼠也显示了睡眠的增加。 将被SIK3磷酸化的HDAC4的丝氨酸残基( S245 )置换为丙氨酸后，睡眠大幅减少。 由此可知，SIK3通过对HDAC4进行磷酸化来增大睡眠。 被SIK3磷酸化的HDAC4停留在细胞质中，因此可以认为核内与基因调控相关的HDAC4减少。 实际上，由于老鼠睡觉期间的黎明和断眠后核内的HDAC4减少，显示SIK3抑制HDAC4的核转移，促进睡眠。 另外，线虫中也显示SIK3和HDAC4控制着睡眠，发现这种分子信号在广泛的动物种类中控制着睡眠。
由于SIK3的磷酸化酶活性受另一种蛋白质磷酸化酶LKB1的控制，如果LKB1减少，或者对SIK3激酶区域的苏氨酸残基( T221 )进行丙氨酸置换使其不接受LKB1的磷酸化，SIK3的磷酸化酶活性降低。 实际上，降低神经元内LKB1表达的小鼠和将SIK3的T221置换为丙氨酸的小鼠睡眠减少了。 这表明LKB1在SIK3上游参与了睡眠控制。 总体上显示LKB1-SIK3-HDAC4和HDAC5作为睡眠调控的分子信号转导通路。
那么这个分子信号是在哪个细胞上工作的呢？ 先前的研究表明，神经元中Sleepy(Slp )变异型SIK3的表达会增加睡眠的量和质量。 但大脑根据大脑、下丘脑、脑干等部位的不同，由各种类型的神经元组成，因此需要确定更具体的部位和神经元类型。 神经元多根据神经递质分类，代表性的有以谷氨酸为神经递质的兴奋性神经元和以GABA为神经递质的抑制性神经元。 将DNA重组酶Cre与仅在特定神经元类型中表达的多个小鼠系统进行杂交来研究睡眠时，如果在大脑皮质等兴奋性神经元中表达Slp变异型SIK3，则作为睡眠质量和深度指标的非快速眼动睡眠中脑电波的慢波成分注8 )会增大，但睡眠量不会改变。 另一方面，在下丘脑表达Slp变异型SIK3的话，虽然睡眠量增加了，但是非快速眼动睡眠中的脑电波的慢波成分没有变化。 Slp变异型SIK3会减少核内的HDAC4，但减少兴奋性神经元中的HDAC4会增加睡眠。 相反，如果在兴奋性神经元中减少SIK3，睡眠在质和量上都将减少。 以上结果显示睡眠质量由大脑皮质兴奋性神经元控制，量由下丘脑兴奋性神经元控制(参考图)。
为了鉴定大脑皮质兴奋性神经元中参与睡眠质量调整的基因，我们使用了断眠后的野生型小鼠的大脑皮质和通过腺病毒表达Slp变异型SIK3的大脑皮质，进行了1细胞RNA测序注9 )，发现了断眠和SSI k3。 这提示，SIK3信号引起的兴奋性神经元突触水平的变化，是睡眠质量控制的背景。 2018年用不同的方法鉴定为困倦分子实体的磷酸化蛋白质中也含有很多突触相关分子。
此外，研究人员还发现，利用腺病毒和基因组编辑技术操作成体小鼠LKB1、SIK3和HDAC4/5可以控制睡眠质量和数量。
本研究小组以阐明与睡眠的必要性和恒常性相关的分子机制的全貌为目标，通过控制睡眠质量和数量的结构，以及这种SIK3信号是如何改变神经元水平的性质，并通过负责切换和维持睡眠·觉醒状态的神经元来控制睡眠，进一步的研究正在进行中。 尚不清楚的地方很多的昼夜节律注10 )和睡眠的关系也是今后的重要课题。 SIK3信号不仅是促进睡眠和清醒的新型医药的靶点，还有可能成为人为改变睡眠质量和数量的中枢。 能够操作睡眠，在提高人类表演的同时，也与情绪障碍和痴呆症等疾病的新治疗介入法的开发息息相关。
注1 )兴奋性神经元 以谷氨酸为神经递质的神经元。 通过位于神经骨架(存在于兴奋性神经元树突上的突起样结构物)的谷氨酸受体，促进连接神经骨架的神经元的作用。 注2 )随机点变异小鼠 通过给药而导致基因变异的小鼠。 哪些基因有什么样的变异是随机的，每个老鼠都不一样。 注3 )磷酸化酶 将磷酸基从三磷酸腺苷( ATP )转移到基质分子上的酶。 也称为激酶。 SIK3是以蛋白质为基质的蛋白激酶之一。 注4 )顺遗传学 是指根据可以对每个个体进行评价的特征，鉴定导致该特征的基因变异的研究战略。 在本研究的情况下，我们探索了导致睡眠多这一特征的基因变异。 注5 )分子级联 使细胞内发生的事件引起下一个事件的反应链称为分子级联或级联。 磷酸化酶通过磷酸化底物，改变底物的性质，以发生下一个事件的形式级联。 注6 )组蛋白脱乙酰酶 负责组蛋白(构成染色体的蛋白质)脱乙酰化的酶。 但是，由于HDAC4和HDAC5的脱乙酰化活性低，与组蛋白修饰相比，通过与转录因子等的结合执行转录调节。 注7 )同源性 在这种情况下，这意味着HDAC4和HDAC5的基因序列相似的程度。 一般来说，基因的同源性越高，在功能上也往往起到越相似的作用。 注8 )慢波成分 脑电波可以分解为各种波长的波，但较长的波长成分称为慢波成分。 在断眠后的睡眠和深度睡眠中，慢波成分增加，因此被认为是睡眠质量和需要度的指标。 注9 ) 1细胞RNA测序 在一个个细胞水平上分析转录产物( RNA )的方法。 按脑细胞类型调查转录产物的倾向等，可以获得用以往的方法得不到的信息。 注10 )昼夜节律 是指睡眠·觉醒等以24小时为周期反复出现的生理现象，受到内在运转的生物钟的控制。 研究资金 论文a 作为amed moon scapt型研究开发事业*、世界顶级研究基地计划( WPI )、JSPS科研费、JST战略性创造研究推进事业( CREST )、其他研究项目的一部分被实施。 论文b 作为世界顶级研究基地计划( WPI )、JSPS科研费和其他研究项目的一部分被实施。 * amed moon scape型研发事业是创造我国破坏性创新、推进基于更大胆构想的具有挑战性研发的国家大型项目。 AMED是月球快照目标7，为了到2040年实现可持续的医疗护理系统，以预防和克服主要疾病，直到100岁为止都可以无健康不安地享受人生，我们正在推进研究开发。 在这个AMED事业中，柳泽教授担任着“睡眠与冬眠:解开两个“睡眠”和开拓操作的新一代医疗的展开”的项目经理。
題名
Kinase signalling in excitatory neurons regulates sleep quantity and depth.
（兴奋性神经元中激酶信号调控睡眠量和质量）
著者名
Staci J. Kim, Noriko Hotta-Hirashima, Fuyuki Asano, Tomohiro Kitazono, Kanako Iwasaki, Shinya Nakata, Haruna Komiya, Nodoka Asama, Taeko Matsuoka, Tomoyuki Fujiyama, Aya Ikkyu, Miyo Kakizaki, Satomi Kanno, Jinhwan Choi, Deependra Kumar, Takumi Tsukamoto, Asmaa Elhosainy Mohamed Mahmoud, Seiya Mizuno, Shinichi Miyazaki, Yousuke Tsuneoka, Fumihiro Sugiyama, Satoru Takahashi, Yu Hayashi, Masafumi Muratani, Qinghua Liu, Chika Miyoshi, Masashi Yanagisawa, Hiromasa Funato
掲載誌
Nature
掲載日
2022年12月7日
DOI
10.1038/s41586-022-05450-1
題名
A signaling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice.
（调节小鼠睡眠量的信号通路和转录调控）
著者名
Rui Zhou, Guodong Wang, Qi Li, Fanxi Meng, Can Liu, Rui Gan, Dapeng Ju, Meimei Liao, Junjie Xu, Di Sang, Xue Gao, Shuang Zhou, Kejia Wu, Quanzhi Sun, Ying Guo, Chongyang Wu, Zhiyu Chen, Lin Chen, Bihan Shi, Haiyan Wang, Xia Wang, Huaiye Li, Tao Cai, Bin Li, Fengchao Wang, Hiromasa Funato, Masashi Yanagisawa, Eric Erquan Zhang, Qinghua Liu
掲載誌
Nature
掲載日
2022年12月7日
DOI
10.1038/s41586-022-05510-6
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