睡眠的分子和細胞機制仍然是個謎。已經在果蠅和老鼠身上采用了遺傳學方法來尋找睡眠所需的基因。

2024年12月30日,北京大學饒毅團隊在Cell Chemical Biology(IF=6.6)在線發表題為“Calcineurin: An essential regulator of sleep revealed by biochemical, chemical biological, and genetic approaches”的研究論文,該研究表明鈣調神經磷酸酶是一種睡眠的重要調節因子。

研究人員率先應用生物化學和化學生物學的方法來研究睡眠調節機制。研究發現鈣調神經磷酸酶(CaN)是一種磷酸酶,能夠在兩個調節位點去磷酸化SIK3,但不是酶活性所需的位點。減少CaN使睡眠減少超過5小時,這是在小鼠中觀察到的最顯著的睡眠表型。這項研究揭示了睡眠調節中的磷酸酶-激酶途徑,強調了生化純化和化學生物學方法是對大腦功能研究有價值的有效技術。

睡眠是動物的一個重要生理過程,受晝夜節律和體內平衡過程的調節。在揭示調節睡眠的基因方面,對果蠅、老鼠、狗和人類采取的遺傳學方法已被證明是強有力的。例子包括發現食欲素/下丘腦泌素及其受體在維持失眠中的作用,以及鹽誘導激酶3 (SIK3)在調節睡眠中的作用。因為睡眠只能在動物中測量,而不能在分子上測量,所以現有的研究都依賴于電生理學和遺傳學來啟動果蠅和小鼠睡眠的分子和機制的發現。蛋白質磷酸化在不同的睡眠-覺醒相關狀態之間有所不同。哺乳動物的睡眠被認為涉及蛋白激酶A(PKA);細胞外信號調節激酶(ERK);一磷酸腺苷(AMP)激活蛋白激酶(AMPK);鈣(Ca2+)/鈣調素(CaM)激酶II (CaMKII) a和b;c-Jun氨基末端激酶(JNK);SIK 3,1和2;和肝激酶B(lk B1)。據報道,CaMK2b基因敲除小鼠每24小時的睡眠減少超過120分鐘,這比小鼠中其他已知的基因突變多。

機理模式圖(圖源自Cell Chemical Biology)關于哺乳動物睡眠中的蛋白磷酸酶(PPases)知之甚少。20世紀70年代發現的一種蛋白質被命名為鈣調神經磷酸酶(CaN、PP2或PPP3),其功能在20世紀80年代被定性為磷酸酶。鈣調神經磷酸酶是唯一一種Ca2+和鈣調素(CaM)激活的磷酸酶,是一種二聚體,具有催化亞單位鈣調神經磷酸酶A(具有三種替代物,PPP3CA、PPP3CB或PPP3CC)和調節亞單位鈣調神經磷酸酶B(具有兩種替代物PPP3R1或PPP 3rR2)。PPP3CA、PPP3CB和PPP3R1普遍表達,而PPP3CC和PPP3R2在睪丸中很重要。PPP3CA是大腦中最豐富的催化亞單位,PPP3R1是大腦中最豐富的調節亞單位。該研究使用對睡眠重要的激酶的磷酸化位點作為生化和化學生物學方法的靶標。在鹽誘導激酶3 (SIK3)殘基T469攜帶蘇氨酸到丙氨酸替換的小鼠中睡眠增加。生化純化和光交聯揭示了鈣調神經磷酸酶(CaN)在體外和體內對SIK3在T469和S551,而不是T221的去磷酸化。敲除CaN調節亞單位使每日睡眠減少超過5小時,超過所有已知的小鼠突變體。該工作揭示了CaN在睡眠中的重要生理作用,并開創了生化純化和化學生物學作為研究睡眠的有效方法。

參考消息:

https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(24)00513-0