Cell子刊发现迄今最重要的睡眠调控因子，开创睡眠研究新方法

睡眠的分子和细胞机制至今仍然是个未解之谜。科学家们已经通过遗传学手段在果蝇和老鼠中寻找与睡眠相关的基因。

2024年12月30日,北京大学的饶毅团队在《Cell Chemical Biology》(影响因子IF=6.6)上发表了一篇题为"Calcineurin: An essential regulator of sleep revealed by biochemical, chemical biological, and genetic approaches"的研究论文。该研究揭示了钙调神经磷酸酶(Calcineurin)是睡眠调节的一个关键因子。

研究者们首次运用生物化学和化学生物学技术来探究睡眠的调控机制。他们发现钙调神经磷酸酶(CaN)是一种磷酸酶,能够在SIK3的两个调节位点上去除磷酸基团,而这些位点并非酶活性所必需。降低CaN的活性会导致小鼠睡眠时间减少超过5小时,这是在小鼠中观察到的最显著的睡眠变化。这项研究揭示了睡眠调节中的磷酸酶-激酶途径,并强调了生化纯化和化学生物学方法在大脑功能研究中的价值。

睡眠是动物的一种基本生理过程,受昼夜节律和体内平衡的调控。遗传学方法在果蝇、老鼠、狗和人类中已被证明是揭示睡眠调节基因的有效手段。例如,食欲素/下丘脑泌素及其受体在维持失眠中的作用,以及盐诱导激酶3(SIK3)在调节睡眠中的功能。由于睡眠只能在动物中进行测量,而不能在分子层面上直接测量,因此研究依赖于电生理学和遗传学来探索果蝇和小鼠睡眠的分子机制。蛋白质磷酸化在不同的睡眠-觉醒状态之间有所差异。哺乳动物的睡眠被认为涉及多种蛋白激酶,包括蛋白激酶A(PKA)、细胞外信号调节激酶(ERK)、一磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)、钙(Ca2+)/钙调素(CaM)激酶II(CaMKII)a和b、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、SIK 3,1和2、以及肝激酶B(l k B1)。据报道,CaMK2b基因敲除的小鼠每24小时的睡眠时间减少超过120分钟,这是小鼠中已知基因突变中睡眠减少最多的。

关于哺乳动物睡眠中的蛋白磷酸酶(PPases)的机制,目前所知甚少。钙调神经磷酸酶(CaN、PP2或PPP3)是一种在20世纪70年代发现的蛋白质,其磷酸酶功能在20世纪80年代被确认。钙调神经磷酸酶是唯一一种由Ca2+和钙调素(CaM)激活的磷酸酶,它是一个二聚体,包含催化亚单位钙调神经磷酸酶A(有三种变体PPP3CA、PPP3CB或PPP3CC)和调节亚单位钙调神经磷酸酶B(有两种变体PPP3R1或PPP3R2)。PPP3CA、PPP3CB和PPP3R1广泛表达,而PPP3CC和PPP3R2在睾丸中特别重要。PPP3CA是大脑中最丰富的催化亚单位,PPP3R1是大脑中最丰富的调节亚单位。该研究利用对睡眠有重要影响的激酶的磷酸化位点作为生化和化学生物学方法的目标。在SIK3的T469位点上,将苏氨酸替换为丙氨酸的小鼠表现出睡眠时间增加。生化纯化和光交联技术揭示了CaN在体外和体内对SIK3在T469和S551位点的去磷酸化作用,而不是T221位点。敲除CaN的调节亚单位会导致每日睡眠时间减少超过5小时,这是已知小鼠突变体中睡眠减少最多的。这项工作揭示了CaN在睡眠中的重要作用,并确立了生化纯化和化学生物学作为研究睡眠的有效方法。