▎藥明康德內容團隊編輯
我們都離不開睡眠，但我們卻從未真正完全理解睡眠的真相。
關於睡覺，有太多未解的謎題有待破解。我們為什麼需要睡眠？為什麼人們對睡眠時間的需求各不相同？又為什麼有些人的睡眠質量很高，另一些人卻總是睡得很淺？現在，科學家正在逐步揭開這些問題背後的機制。
本週，最新一期《自然》雜誌的兩篇背靠背論文就讓我們對睡眠的理解前進了一大步。北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院
劉清華實驗室
以及日本國際綜合睡眠醫學研究所的
柳澤正史（Masashi Yanagisawa）/船戶弘正（Hiromasa Funato）實驗室
分別
揭開了調控睡眠時間以及睡眠質量的關鍵通路。
劉清華教授指出，這項發現可能幫助理解、解決睡眠缺陷與睡眠疾病的發生，促進人類高質量睡眠和良好生活狀態。
在最新研究之前，這些科學團隊已經對睡眠機制進行了長期探索。
2016年，柳澤正史實驗室從小鼠基因組中篩選出一個“嗜睡”突變體，其中的
Sik3突變
產生了特殊的
Sleepy小鼠
——這些小鼠13號外顯子跳讀，編碼出
SIK3的突變型蛋白SLEEPY
。直接影響是，這些“嗜睡”小鼠的睡眠時間增加了4個小時之久，並且慢波睡眠活動的比例顯著提高。
2年後，劉清華課題組與柳澤正史/船戶弘正課題組合作，找到多個指示睡眠需求的關鍵蛋白——這些蛋白的磷酸化/去磷酸化迴圈調控著小鼠的睡眠與清醒狀態，從而
以全新的角度回答了“生物為何需要睡眠”這一重要科學問題。
而最新《自然》雜誌的兩項研究正是以SIK3為起點，揭開了全新的機制。
圖片來源：123RF
其中一項研究由劉清華課題組領銜，
揭示了調控小鼠睡眠時長的核心分子通路，並且提出了轉錄調控睡眠的新機制。
我們知道，睡眠是人類和眾多動物生命活動中不可或缺的一部分，但有趣的是，不同動物對睡眠的需求有著巨大的差異：例如長頸鹿每天只需要睡2-5小時，而考拉需要18-22小時。此外，同種動物中不同個體的睡眠時間也不盡相同：多數人每天需要7-8小時的睡眠，而一些天生短睡眠者只需要睡4-6小時就能保持正常工作生活。
究竟是怎樣的分子機制調控著睡眠時間？
在此前的工作中，
劉清華實驗室建立了高效研究小鼠睡眠的新方法
：透過在小鼠中眼眶靜脈注射腺相關病毒，實現成年腦嵌合基因的表達或敲除，繼而透過影片記錄或腦電圖/肌電圖記錄來分析小鼠睡眠。
劉清華教授介紹，該系統極大程度地縮短了小鼠交配時間，在成年鼠腦中實現基因的快速表達或敲除、避免小鼠發育缺陷，為小鼠的遺傳分析提供了便利。
▲
成年小鼠腦細胞特異性基因表達及敲除系統【圖片來源：Wang, G. et al. Somatic Genetics Analysis of Sleep in Adult Mice. J. Neurosci. 42, 5617 (2022)】
基於該系統，研究者首先在成年小鼠中敲除了SIK3的
上游激酶LKB1
。這時，小鼠的睡眠時間下降了超過3小時，說明
LKB1能促進睡眠
。同時，研究者觀察到在LKB1敲除大腦中，SIK3的蘇氨酸殘基（T221）磷酸化水平下降，而攜帶模擬磷酸化的T221E突變可以部分提升睡眠時間，說明
LKB1-SIK3激酶級聯促進睡眠。
與此一致的是，研究者也在LKB1敲除大腦中觀察到SIK3下游轉錄調節因子——
組蛋白去乙醯化酶HDAC4/5
的絲氨酸殘基（S245）磷酸化水平下降。進一步分析發現，
HDAC4/5位於LKB1下游，是抑制睡眠的轉錄調節因子。
立體定位注射結果表明，
HDAC4/5在下丘腦後部調控睡眠時間
，但並非位於已知調節睡眠/清醒的下丘腦腹外側視前核（VLPO），而可能在全新的腦區發揮功能。此外，HDAC4/5的S245磷酸化水平隨著光照期小鼠睡眠時間的積累而下降，隨著黑暗期小鼠清醒時間的積累而上升，暗示存在反饋調節機制。
HDAC4/5不直接結合DNA，而是需要結合其他轉錄因子來發揮轉錄調節功能。研究者透過篩選發現，
另一個與HDAC4/5相關的轉錄因子CREB也能抑制睡眠。
HDAC4對睡眠時間的調控作用依賴於CREB。
在隨後的實驗中，在Sleepy小鼠中表達HDAC4或CREB均能讓嗜睡小鼠的睡眠時間迴歸正常，同時回覆其轉錄變化，說明
HDAC4和CREB位於LKB1-SIK3下游調控睡眠時間。
▲
睡眠調控的分子通路模型（圖片來源：參考資料[1]）
由此，
這項研究首次揭示了LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是調控睡眠時間的關鍵通路，闡明瞭睡眠時間調控的分子機制，提出了睡眠受轉錄調控。
在同期的另一項研究中，柳澤正史/船戶弘正課題組應用傳統正向和反向遺傳學研究發現，
LKB1–SIK3–HDAC4通路構成的訊號級聯反應起到了調控睡眠時間和質量的作用。
▲
調控小鼠睡眠質量與睡眠量（時間）的通路（圖片來源：Sara Kobayashi）
此外，研究者發現大腦皮層中興奮性神經元的SIK3訊號可以提升非快速眼動睡眠（non-rapid eye movement sleep）階段慢波的比重，代表著睡眠質量的提升；相反，位於下丘腦的興奮性神經元中，SIK3訊號不影響睡眠質量，但會增加睡眠時間。因此，
大腦皮層與下丘腦分別控制睡眠的質量與數量（時間）。
這項研究為理解調控非快速眼動睡眠的神經環路機制奠定了重要基礎。
劉清華教授介紹道：“這兩項研究發現的轉錄分子通路對睡眠的調控作用保守存在於小鼠、果蠅、線蟲中，也有可能存在於更低等的動物中。另一方面，人類中也有HDAC4相關突變造成睡眠異常的報道。因此這些工作
揭示了睡眠時間調控的核心分子機制，可以幫助我們理解人類的睡眠異常現象，並對修復或調整睡眠提供指導意義。
”
劉清華實驗室的博士研究生周瑞和王國棟為論文“A signalling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice”的共同第一作者；劉清華博士為通訊作者；劉清華實驗室的博士後李祺博士（現遺傳篩選中心主任）、劉燦博士、孟凡熙和許俊傑等也對本研究做出重要貢獻，北京生命科學研究所的遺傳篩選中心、張二荃實驗室、核酸測序中心、生物資訊中心、轉基因動物中心和日本國際綜合睡眠醫學研究所的船戶弘正博士和柳澤正史博士也對本研究做出重要貢獻。
參考資料：