大腦如何判斷該睡覺了？可能是這80種蛋白說了算

研究人員識別出一類主要存在於大腦神經突觸中的 SNIPP 蛋白，更深入地從科學上解釋了為什麼我們需要睡眠。

撰文：Veronique Greenwood

翻譯：石雲雷

編輯：戚譯引

圖片來自 Pixabay

睡眠對於正常的學習和身體健康至關重要，但科學家們仍未完全了解睡眠在恢復大腦功能方面的作用和我們會感到睏倦的原因。而通過對基因突變小鼠不尋常睡眠需求的生物分子學研究，解答這兩個問題的一些重要線索正陸續浮出水面。

兩年前，日本科學家報道了一隻無法保持清醒的小鼠。這隻小鼠體內的一個名為 Sik3 的基因發生了突變，它的睡眠時間比普通小鼠多出 30%。儘管它醒來後明顯精神了很多，但它還是會在其他正常實驗小鼠睡覺之前很早就再次打起瞌睡。這隻小鼠似乎對睡眠有額外的需求。

如今，在檢測了睡眠剝奪的小鼠和 Sik3 突變小鼠的腦化學狀態後，來自筑波大學國際綜合睡眠醫學研究所的另一個研究小組指出，這兩類小鼠的大腦中有 80 種蛋白質的狀態發生了有趣的變化，而這種變化在睡眠充足的正常小鼠大腦內並不存在。科學家們認為，這個觀察結果將能在分子的水平上關鍵性地解釋為什麼我們需要睡眠，以及為什麼我們會感到睏倦。

研究人員可以概括地描述睡眠狀態時大腦中發生的許多變化。在睡眠狀態下，神經元之間的連接發生變化。腦電圖顯示，與睡眠充足的大腦相比，經歷了睡眠剝奪的大腦產生的慢波峰值更高而谷值更低。身體會產生特定的一些物質使你昏睡，也會產生其他的一些物質讓你清醒。睡覺有助於學習，而且儘管睡眠讓我們每天都有很大比例的時間什麼都做不了，但這對於生存是必要的。如果我們太長時間不睡覺，很可能就會死去。

然而，我們仍然很不了解睡眠具體起到了哪些重要的作用，以及大腦如何追蹤保持清醒的時間。據推測，睡眠需求的內在「賬戶」與睡眠期間各個生理過程的恢復有關。

這項新的研究結果暗示，通過生物化學方法或許能夠找出一些解答這個問題的線索，具體而言，就是檢測80種已識別蛋白質（可能還有其他蛋白）的磷酸化，即與磷酸基團的結合。蛋白磷酸化通常會關閉蛋白質的功能或改變其活性，所以它可能通過這種方式改變了其中一些蛋白質的功能。

睡眠越少，磷酸化越多

科學家們在開始實驗時已經猜到，檢測 Sik3 基因突變小鼠大腦中蛋白的磷酸化水平可能會大有收穫，他們恰當地稱這類小鼠為嗜睡小鼠。Sik3 基因負責編碼一種添加磷酸基團的酶，而嗜睡小鼠所具有的突變使這種酶過度活躍，這可能導致下游蛋白被添加了比正常情況更多的磷酸基團。這種嗜睡的狀態「表明這些突變小鼠腦中的磷酸化過程發生了錯誤或改變」，論文合著者、得克薩斯西南大學及筑波大學的教授劉清華說。他最近開始任職於北京生物科學研究所。

睡眠研究專家劉清華教授與筑波大學的同事識別了一類與突觸相關的蛋白，並稱之為 SNIPP 蛋白。這類蛋白能與睡眠和清醒周期同步地獲得和失去磷酸基團。這些 SNIPP 蛋白的狀態似乎與在睡眠期間恢復的各種神經過程有關。| 圖片來源：International Institute for Integrative Sleep Medicine, University of Tsukuba

實驗將嗜睡小鼠和充分休息或處於不同睡眠剝奪狀態的正常小鼠進行了對比。研究人員首先發現，在睡眠剝奪小鼠和 Sik3 基因突變小鼠的大腦中，有同一類磷酸化酶是活躍的。緊接著，他們檢查了所有小鼠大腦中的磷酸化蛋白，發現這些小鼠大腦中的蛋白大致相同，但它們的基團看起來並不一樣。嗜睡小鼠和正常小鼠之間、睡眠剝奪的小鼠與休息良好的小鼠之間，都存在顯著差異。具體而言，睡眠剝奪的小鼠發生了更多的蛋白磷酸化；而嗜睡小鼠與正常小鼠相比，大腦中有許多蛋白更多地被磷酸化，而其餘的蛋白被磷酸化較少。

總之，在 Sik3 突變和睡眠剝奪小鼠中，有 80 種蛋白質的磷酸化程度高於對照組。研究人員稱這些蛋白為「睡眠需求指示磷酸化蛋白」（sleep-need-index phosphoproteins），簡稱 SNIPP 蛋白。他們在後續實驗中發現，小鼠醒來的時間越長，這些蛋白質被磷酸化越多。

有趣的是，這些蛋白質中約 80%（69個）與突觸有關，這是神經元相互連接的地方。這些蛋白質在突觸蛋白中所佔的比例比在整個大腦中所佔的比例要大得多，這暗示了學界熱議的突觸調節和睡眠之間的聯繫。

一種叫做突觸穩態假說的理論認為，清醒狀態下大腦通過學習和創造新的記憶形成突觸，而在睡眠狀態下，一部分突觸被修剪或削弱，從而鞏固和加強真正重要的記憶。一些研究表明，睡眠可以促使突觸在清醒期間更加活躍。威斯康星大學麥迪遜分校睡眠與意識研究所的 Chiara Cirelli 教授是突觸穩態假說的創始人之一，她評論：「這項研究是表明睡眠需求和突觸活動相關的強有力的證據。」

圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine |漢化：科研圈

目前仍不清楚大腦中這些蛋白的額外磷酸化會引發怎樣的結果，以及為什麼清醒狀態會導致磷酸化的發生。我們也還不了解磷酸化如何影響每種 SNIPP 蛋白的功能。儘管如此，SNIPP 中的突觸蛋白-1 在磷酸化後發揮的作用為後續的研究提供了一個有趣的參考。

在一個突觸中，「上游」神經元末端含有許多細小的囊泡，包裹著神經遞質，等待著來自遠端的信號，當信號抵達時，它們會沖向突觸前膜，釋放內部的神經遞質進入突觸間隙，這些神經遞質會被「下游」神經元的突觸後膜接收，從而實現信息的傳遞。突觸蛋白-1 位於這些囊泡的表面，當它被磷酸化時，這些囊泡會更接近「上游」神經元的突觸前膜。

哈佛醫學院的臨床神經科學家、睡眠研究專家 Thomas Scammell 表示：「也許睡眠過程中所發生的，就是這些變化幫助神經元為活動做好準備。」一種可能的解釋是，在清醒狀態下突觸附近的神經遞質被消耗了；在這種情況下，磷酸化的突觸蛋白可能會調節新的神經遞質的供應，並以某種方式記錄大腦先前的活躍程度。（但值得注意的是，並沒有任何一種蛋白質能夠單獨完整解釋像睡眠需求這樣的整體生物過程。）

睡眠需求的分子解釋

哈佛醫學院神經科學教授 Jonathan Lipton 認為，這總體上是一篇令人印象深刻的論文。很顯然，這些科研人員瞄準了睡眠需求的分子機制，這個學界孜孜以求的目標。Lipton 說：「他們在這項研究中提出的論證是，他們發現某些突觸蛋白狀態的改變似乎與不斷增加的睡眠需求相關。在分子和神經水平上，是什麼導致了大腦對睡眠的需求？這顯然正是他們在解決的問題。」

Lipton 和 Scammell 都表達了一些疑慮：實驗中讓小鼠保持清醒的方法，即把它們放在搖床上，會給小鼠造成一些壓力。使用嗜睡小鼠作為無壓力對照應該有助於解決這個問題，但 Scammell 還想知道，如果通過更溫和的方式進行睡眠剝奪，例如敲打籠子或給它們玩些東西，這些小鼠的大腦中會不會產生相同的 SNIPP 蛋白。

荷蘭赫爾辛基大學的睡眠研究員 Tarja Porkka-Heiskanen 認為，即使正如研究所示，磷酸化確實對追蹤睡眠需求很重要，但它可能也只能提供一部分解釋。Homer-1，一種被認為在睡眠剝奪期間的突觸中非常重要的蛋白質，並沒有出現在 SNIPP 蛋白的名單中。如果 Homer-1 並沒有受到磷酸化過程的影響，這可能意味著幾種不同的生化系統可能以互補的方式協同調節睡眠需求。然而，這項研究中使用的方法並不需要了解每種蛋白質的磷酸化程度的改變，因此 Homer-1 可能仍然發生了一些變化（但沒有得到檢測）。

接下來，研究人員計劃更深入地研究 SNIPP 蛋白髮揮的作用。這 80 種蛋白中的 12 種已被發現能以某種方式調節小鼠或人的睡眠，但其他許多蛋白尚未得到研究。劉慶華說，這 80 種蛋白只是一個候選名單，用來識別大腦中負責追蹤睡眠和覺醒的蛋白，「其中的一些蛋白可能比其他蛋白更加重要……其他蛋白可能僅僅只是搭了它們的順風車。這些問題仍丞待未來的研究解決」。

文章鏈接：https://www.quantamagazine.org/snipp-proteins-may-point-to-why-we-get-sleepy-20180821/

論文信息

【標題】Quantitative phosphoproteomic analysis of the molecular substrates of sleep need

【期刊】Nature

【作者】Zhiqiang Wang, Jing Ma, Chika Miyoshi, Yuxin Li, Makito Sato, Yukino Ogawa, Tingting Lou, Chengyuan Ma, Xue Gao, Chiyu Lee, Tomoyuki Fujiyama, Xiaojie Yang, Shuang Zhou, Noriko Hotta-Hirashima, Daniela Klewe-Nebenius, Aya Ikkyu, Miyo Kakizaki, Satomi Kanno, Liqin Cao, Satoru Takahashi, Junmin Peng, Yonghao Yu, Hiromasa Funato, Masashi Yanagisawa & Qinghua Liu

【日期】13 June 2018

【DOI】10.1038/s41586-018-0218-8

【摘要】Sleep and wake have global effects on brain physiology, from molecular changes1,2,3,4 and neuronal activities to synaptic plasticity3,4,5,6,7. Sleep–wake homeostasis is maintained by the generation of a sleep need that accumulates during waking and dissipates during sleep8,9,10,11. Here we investigate the molecular basis of sleep need using quantitative phosphoproteomic analysis of the sleep-deprived and Sleepy mouse models of increased sleep need. Sleep deprivation induces cumulative phosphorylation of the brain proteome, which dissipates during sleep. Sleepy mice, owing to a gain-of-function mutation in the Sik3 gene12, have a constitutively high sleep need despite increased sleep amount. The brain proteome of these mice exhibits hyperphosphorylation, similar to that seen in the brain of sleep-deprived mice. Comparison of the two models identifies 80 mostly synaptic sleep-need-index phosphoproteins (SNIPPs), in which phosphorylation states closely parallel changes of sleep need. SLEEPY, the mutant SIK3 protein, preferentially associates with and phosphorylates SNIPPs. Inhibition of SIK3 activity reduces phosphorylation of SNIPPs and slow wave activity during non-rapid-eye-movement sleep, the best known measurable index of sleep need, in both Sleepy mice and sleep-deprived wild-type mice. Our results suggest that phosphorylation of SNIPPs accumulates and dissipates in relation to sleep need, and therefore SNIPP phosphorylation is a molecular signature of sleep need. Whereas waking encodes memories by potentiating synapses, sleep consolidates memories and restores synaptic homeostasis by globally downscaling excitatory synapses4,5,6. Thus, the phosphorylation–dephosphorylation cycle of SNIPPs may represent a major regulatory mechanism that underlies both synaptic homeostasis and sleep–wake homeostasis.

【鏈接】https://www.nature.com/articles/s41586-018-0218-8

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