Nature：睡多久谁说了算？刘清华团队揭示调控睡眠时间的关键分子通路

你能做到一周不睡觉吗？良好的睡眠对我们保证生活质量十分重要。不过，有些人每天只需睡5-6个小时，有些人则需要8个小时甚至更多，这是什么原因导致的？

其实，这也是很多科学家好奇的问题，最近，研究人员在小鼠身上发现了调控睡眠时间的通路机制，揭示了其中的答案。

在我们的生命活动过程中，睡眠不可或缺，它在学习、记忆、运动、代谢和免疫等过程中发挥着重要作用。睡眠行为也保守存在于鸟类、章鱼、水螅等其他动物中。然而，不同动物的睡眠时长却有着巨大差异，比如长颈鹿每天只需要2-5小时的睡眠，而考拉需要18-22小时。

有趣的是，同种动物中不同个体的睡眠时间也不尽相同。人类通常每天需要7-8小时睡眠，而有一些人是天生短睡眠者，他们只需要4-6小时睡眠，就能保持正常工作生活。目前，调控睡眠时间的分子机制还不清楚。

2022年12月8日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院刘清华实验室在Nature 期刊发表了题为：A signaling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice 的研究论文【1】。

这项研究揭示了调控小鼠睡眠的核心分子通路——LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB，并提出了转录调控睡眠的新机制。

日本国际综合睡眠医学研究所的Masashi Yanagisawa/Hiromasa Funato 实验室也在Nature 同期发表了题为：Kinase signalling in excitatory neurons regulates sleep quantity and depth 的研究论文【2】。

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这个实验要从2016年讲起，当时，Yanagisawa实验室在小鼠的正向遗传学筛选中发现了一个“嗜睡”突变体，该突变体中Sik3的突变造成外显子13的跳读，编码了功能获得性SLEEPY突变蛋白，从而使小鼠每天睡眠时间增加4个小时。

刘清华实验室和Yanagisawa/Funato实验室的研究以SIK3为突破口，揭示了一条调控睡眠时间的关键分子通路。

此前，刘清华实验室建立了小鼠睡眠研究的新方法：通过在小鼠中眼眶静脉注射腺相关病毒（AAV），实现成年脑嵌合基因表达或敲除（Adult Brain Chimeric-expression/knockout），继而通过视频记录（SleepV）或脑电图/肌电图（EEG/EMG）记录来分析小鼠的睡眠情况（图1）。

图1：成年小鼠脑细胞特异性基因表达及敲除系统

这个系统的优势在于，它极大程度地缩短了小鼠交配时间，将原本需要1-2年才能完成的小鼠交配和睡眠分析，缩减到了1-2个月内，让小鼠遗传分析像果蝇遗传分析一样方便快捷。

此外，这个系统能实现基因的快速表达或敲除，也能避免小鼠发育缺陷，因而突破传统遗传学局限，适于冗余基因和必需基因的睡眠表型分析。

由于SIK3相关分子通路中的基因都是必需基因，所以本研究充分应用这个系统的优势，进行小鼠睡眠的体细胞遗传分析。

研究者发现，在成年小鼠中敲除SIK3的上游激酶LKB1后，小鼠睡眠时间减少了3小时以上，这说明LKB1是促进睡眠的激酶。

同时，研究者观察到LKB1敲除大脑中SIK3的T221磷酸化水平下降，而在LKB1缺失小鼠中表达模拟T221被磷酸化，从而持续激活的SIK3-S^T221E或SLP-S^T221E部分重建了LKB1缺失小鼠的睡眠时间，说明LKB1-SIK3激酶级联促进睡眠。

与此相一致的是，研究者也在LKB1敲除大脑中观察到SIK3下游转录调节因子，组蛋白去乙酰化酶HDAC4/5的S245磷酸化水平下降和核质比升高。干扰LKB1缺失小鼠神经元中HDAC4/5的转录活性发现其睡眠时间减少的表型被完全回复，而在小鼠神经元中表达持续位于核中的HDAC4/5^CN或敲除Hdac4/5分别减少或增加小鼠睡眠时间，说明HDAC4/5位于LKB1下游，是抑制睡眠的转录调节因子。进一步研究发现HDAC4/5对睡眠的调控作用依赖于对去乙酰化复合体NCoR/SMRT-HDAC3的募集。

立体定位注射结果表明，HDAC4/5在下丘脑后部调控睡眠时间，但并非位于已知调节睡眠/清醒的VLPO，而可能在全新的调控睡眠/觉醒脑区发挥功能。此外，研究者还发现HDAC4/5的S245磷酸化水平随着光照期小鼠睡眠时间的积累而下降，随着黑暗期小鼠清醒时间的积累而上升，这个现象暗示了反馈调节机制的存在。

HDAC4/5不直接结合DNA，而需要结合其他转录因子来发挥转录调节功能。研究者通过筛选发现了另一与HDAC4/5相关的转录因子CREB也能抑制睡眠。在HDAC4^CN表达小鼠中干扰CREB活性发现HDAC4对睡眠时间的调控作用依赖于CREB。

同时，转录组分析和ChIP-seq分析发现，HDAC4和CREB可能结合在相同靶基因的同一位置，并且同向调控其转录水平，这一结果与HDAC4和CREB在睡眠中扮演的角色相一致。进一步地，在Sleepy小鼠中表达HDAC4^CN或CREB均能回补其嗜睡表型，同时也能回复其转录变化，这说明HDAC4和CREB位于LKB1-SIK3下游调控睡眠时间。

研究团队的这一系列工作，首次揭示LKB1-SIK3-HDAC4/5-CREB是调控睡眠时间的关键通路（图2），阐明了睡眠时间调控的分子机制，提出了睡眠受转录调控的观点。

图2：睡眠调控的分子通路模型

在未来，这项研究或许可以帮助我们理解和解决睡眠缺陷与睡眠疾病的问题，进一步促进人类探索高质量睡眠、构建良好的生活状态。

刘清华实验室的博士研究生周瑞和王国栋为本论文的共同第一作者；刘清华博士为通讯作者；刘清华实验室的博士后李祺博士（现遗传筛选中心主任）、刘灿博士、孟凡熙和许俊杰等也对本研究做出重要贡献，北京生命科学研究所遗传筛选中心、张二荃实验室、核酸测序中心、生物信息中心、转基因动物中心和日本国际综合睡眠医学研究所的Hiromasa Funato博士和Masashi Yanagisawa博士也对该研究做出重要贡献。该研究于北京生命科学研究所完成，也受到了科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目和北京市科学技术委员会机构等的大力资助。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05510-6

2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05450-1