hLife Article | 饥饿与睡眠—ppGpp的作用

论文亮点

四磷酸鸟苷（ppGpp）也被称为魔点核苷 (“magic spot” nucleotide)，其参与调节细菌对饥饿的应激反应。本研究通过多种实验证据表明其在果蝇中也存在，并且发挥睡眠调节的功能，特别是参与饥饿对睡眠的调节。

背景介绍

ppGpp最初被发现在细菌氨基酸饥饿中发挥关键功能。之后在植物中也发现了它的存在。而ppGpp在动物中是否也存在？如果存在，它的作用是什么？除了内稳态和节律之外，睡眠也会受到环境因素，比如饥饿的调控。但是这背后的分子机制和神经环路都并不清楚。本研究证明ppGpp同样会在果蝇中表达，并且发挥了睡眠调节特别是饥饿下的睡眠调节的功能。

文章信息

2023年10月16日，北京大学麦戈文脑科学研究所饶毅研究团队在期刊hLife上在线发表题为ppGpp is Present in, and Functions to Regulate Sleep of, Drosophila的研究论文，研究结果阐明了原来仅被认为参与细菌应激反应的ppGpp也在果蝇中内表达并且参与抑制果蝇睡眠，尤其是果蝇饥饿情况下的睡眠，证实了ppGpp的调节作用很可能发生在果蝇表达类胰岛素的神经细胞.

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文章内容

研究初期，利用黑腹果蝇强大的遗传操作能力，饶毅研究团队的戴熙慧敏、杨威、周恩兴等对近两千株黑腹果蝇突变体进行了睡眠筛选。这一筛选此前发表过两篇论文，分别研究D-serine和Ach对睡眠的调控。筛选中发现了一种睡眠模式异常，特别是睡眠潜伏期异常的突变体。睡眠潜伏期是指动物入睡所需的时间，而这一突变体入睡时间显著变长，并且夜间睡眠时长缩短。进一步的研究发现，这一异常与一个被称为Mesh1的基因突变有关。蛋白质序列分析表明，Mesh1基因可能参与ppGpp的代谢，将ppGpp转化为GDP。然而ppGpp此前并不被认为在动物中存在或者发挥功能，其长期被认为是细菌氨基酸饥饿响应的关键调节因子，这一筛选结果促使研究人员对ppGpp在果蝇中可能的分布和在睡眠中的潜在调节作用进行了深入的研究。

这项研究首先进行了Mesh1基因完全敲除果蝇的构建和回复表达分析，并且确认了筛选到的睡眠表型的确是由Mesh1基因介导的。在随后对ppGpp进行定量分析时，研究人员遇到了一个新的挑战：由于ppGpp的浓度太低，对其的检测十分困难。为解决这一问题，杨威寻求北京大学化学院张新祥实验室的张晓辉合作开发了一种浓缩定量的分析方法，以浓缩并分析数千只果蝇的ppGpp，并最终成功地从2000只果蝇的脑提取物中富集并定量测定了ppGpp的浓度。这确证了ppGpp在果蝇中的存在。进一步的分析发现在无菌果蝇中，其浓度也相对稳定，这表明其主要来源是果蝇自身而不是其食物。此外在Mesh1基因敲除的果蝇中，ppGpp浓度显著增加，这验证了Mesh1基因参与调解ppGpp的水解。更重要的是，在饥饿果蝇中，ppGpp浓度明显上升，这暗示ppGpp可能在果蝇中发挥了类似其在细菌中的饥饿信号介导的功能。研究人员进一步通过回复表达Mesh1，分析Mesh1基因在果蝇神经系统中的表达图谱，异位表达大肠杆菌的ppGpp合成酶RelA，过表达Mesh1，等实验进一步证明ppGpp参与睡眠的调控。

对Mesh1基因在果蝇神经系统中的表达分析发现，Mesh1在黑腹果蝇的大脑中的后中间脑区（PI）有表达。PI里有一类分泌胰岛素的细胞（Insulin producing cells, IPC），通过选择性调控ppGpp合成以及水解的表达区域，研究人员发现，IPC细胞中的类胰岛素-2 （Dilp2, Drosophila insulin-like peptide ）表达细胞中的ppGpp在睡眠调控中起到了关键的作用。

睡眠受到内在睡眠需求与外部环境的综合驱动，而饥饿便是外部环境的重要元素之一。同时作为动物的基本需求，动物在饥饿和困倦之间会如何选择？以往的研究已经表明，饥饿会导致果蝇睡眠减少，这被称为“饥饿诱导睡眠丧失(SISL)”。这一现象可能有利于促进动物在饥饿状态下的觅食行为。ppGpp在细菌中参与调控氨基酸饥饿下的应激行为，Dilp2表达细胞中的ppGpp在睡眠调控中起到关键作用，而以往的研究表明，Dilp2表达细胞参与调控SISL。这些线索让研究人员进一步开展了对ppGpp在SISL中的作用研究。他们发现，Mesh1突变或ppGpp合成酶的过表达会加剧SISL，而Mesh1的过度表达则会抑制SISL。并且，Dilp2表达细胞中的ppGpp也对SISL的调控至关重要。

综上，这项研究验证了ppGpp在果蝇中的存在，发现上调ppGpp的合成会引起睡眠缩短，入睡时间延长，并且加剧饥饿条件下的睡眠丧失；而下调ppGpp的合成或者上调其降解则起到相反的作用；揭示了PI脑区，特别是类胰岛素能细胞在ppGpp对睡眠调控中的关键作用。这一发现对于理解睡眠调节和饥饿响应的分子机制具有重要意义，为未来相关领域的研究提供了新的方向。

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作者简介

戴熙慧敏  博士后

第一作者

在北京大学饶毅实验室完成博士学位，现在美国Brandeis大学诺贝尔奖得主Michael Rosbash实验室从事睡眠的分子与神经机制研究。

杨威  博士

第一作者

在北京大学饶毅实验室完成博士学位，现在英特尔（中国）任人工智能架构师

饶毅  教授

通讯作者

北京大学，北京脑科学与类脑研究中心

饶毅实验室使用分子生物学、遗传学、生物化学、生物物理学和化学的途径研究神经生物学问题。研究模式生物包括果蝇、小鼠、大鼠和人。本研究为饶毅实验室发表的第八篇睡眠机理论文。

引用格式: Dai X, Yang W, Zhang X, et al. ppGpp is present in, and functions to regulate sleep of, Drosophila. hLife.  https://doi.org/10.1016/j.hlife.2023.10.004.

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hLife是中国科学院微生物研究所主办，中国生物工程学会和上海市免疫治疗创新研究院联合支持，与国际出版商爱思唯尔合作的健康科学领域综合性英文期刊。

hLife聚焦健康科学领域的前沿进展，旨在促进基础研究与临床应用的融合发展。期刊发表与医学相关各研究领域最新成果，学科领域包括（但不限于）病原生物学、流行病学、生理学、免疫学、结构生物学、疾病监测、肿瘤、药物、疫苗和健康政策等。

2022年成功入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”。

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