大脑如何判断该睡觉了？可能是这80种蛋白说了算

研究人员识别出一类主要存在于大脑神经突触中的 SNIPP 蛋白，更深入地从科学上解释了为什么我们需要睡眠。

撰文：Veronique Greenwood

翻译：石云雷

编辑：戚译引

图片来自 Pixabay

睡眠对于正常的学习和身体健康至关重要，但科学家们仍未完全了解睡眠在恢复大脑功能方面的作用和我们会感到困倦的原因。而通过对基因突变小鼠不寻常睡眠需求的生物分子学研究，解答这两个问题的一些重要线索正陆续浮出水面。

两年前，日本科学家报道了一只无法保持清醒的小鼠。这只小鼠体内的一个名为 Sik3 的基因发生了突变，它的睡眠时间比普通小鼠多出 30%。尽管它醒来后明显精神了很多，但它还是会在其他正常实验小鼠睡觉之前很早就再次打起瞌睡。这只小鼠似乎对睡眠有额外的需求。

如今，在检测了睡眠剥夺的小鼠和 Sik3 突变小鼠的脑化学状态后，来自筑波大学国际综合睡眠医学研究所的另一个研究小组指出，这两类小鼠的大脑中有 80 种蛋白质的状态发生了有趣的变化，而这种变化在睡眠充足的正常小鼠大脑内并不存在。科学家们认为，这个观察结果将能在分子的水平上关键性地解释为什么我们需要睡眠，以及为什么我们会感到困倦。

研究人员可以概括地描述睡眠状态时大脑中发生的许多变化。在睡眠状态下，神经元之间的连接发生变化。脑电图显示，与睡眠充足的大脑相比，经历了睡眠剥夺的大脑产生的慢波峰值更高而谷值更低。身体会产生特定的一些物质使你昏睡，也会产生其他的一些物质让你清醒。睡觉有助于学习，而且尽管睡眠让我们每天都有很大比例的时间什么都做不了，但这对于生存是必要的。如果我们太长时间不睡觉，很可能就会死去。

然而，我们仍然很不了解睡眠具体起到了哪些重要的作用，以及大脑如何追踪保持清醒的时间。据推测，睡眠需求的内在“账户”与睡眠期间各个生理过程的恢复有关。

这项新的研究结果暗示，通过生物化学方法或许能够找出一些解答这个问题的线索，具体而言，就是检测80种已识别蛋白质（可能还有其他蛋白）的磷酸化，即与磷酸基团的结合。蛋白磷酸化通常会关闭蛋白质的功能或改变其活性，所以它可能通过这种方式改变了其中一些蛋白质的功能。

睡眠越少，磷酸化越多

科学家们在开始实验时已经猜到，检测 Sik3 基因突变小鼠大脑中蛋白的磷酸化水平可能会大有收获，他们恰当地称这类小鼠为嗜睡小鼠。Sik3 基因负责编码一种添加磷酸基团的酶，而嗜睡小鼠所具有的突变使这种酶过度活跃，这可能导致下游蛋白被添加了比正常情况更多的磷酸基团。这种嗜睡的状态“表明这些突变小鼠脑中的磷酸化过程发生了错误或改变”，论文合著者、得克萨斯西南大学及筑波大学的教授刘清华说。他最近开始任职于北京生物科学研究所。

睡眠研究专家刘清华教授与筑波大学的同事识别了一类与突触相关的蛋白，并称之为 SNIPP 蛋白。这类蛋白能与睡眠和清醒周期同步地获得和失去磷酸基团。这些 SNIPP 蛋白的状态似乎与在睡眠期间恢复的各种神经过程有关。| 图片来源：International Institute for Integrative Sleep Medicine, University of Tsukuba

实验将嗜睡小鼠和充分休息或处于不同睡眠剥夺状态的正常小鼠进行了对比。研究人员首先发现，在睡眠剥夺小鼠和 Sik3 基因突变小鼠的大脑中，有同一类磷酸化酶是活跃的。紧接着，他们检查了所有小鼠大脑中的磷酸化蛋白，发现这些小鼠大脑中的蛋白大致相同，但它们的基团看起来并不一样。嗜睡小鼠和正常小鼠之间、睡眠剥夺的小鼠与休息良好的小鼠之间，都存在显著差异。具体而言，睡眠剥夺的小鼠发生了更多的蛋白磷酸化；而嗜睡小鼠与正常小鼠相比，大脑中有许多蛋白更多地被磷酸化，而其余的蛋白被磷酸化较少。

总之，在 Sik3 突变和睡眠剥夺小鼠中，有 80 种蛋白质的磷酸化程度高于对照组。研究人员称这些蛋白为“睡眠需求指示磷酸化蛋白”（sleep-need-index phosphoproteins），简称 SNIPP 蛋白。他们在后续实验中发现，小鼠醒来的时间越长，这些蛋白质被磷酸化越多。

有趣的是，这些蛋白质中约 80%（69个）与突触有关，这是神经元相互连接的地方。这些蛋白质在突触蛋白中所占的比例比在整个大脑中所占的比例要大得多，这暗示了学界热议的突触调节和睡眠之间的联系。

一种叫做突触稳态假说的理论认为，清醒状态下大脑通过学习和创造新的记忆形成突触，而在睡眠状态下，一部分突触被修剪或削弱，从而巩固和加强真正重要的记忆。一些研究表明，睡眠可以促使突触在清醒期间更加活跃。威斯康星大学麦迪逊分校睡眠与意识研究所的 Chiara Cirelli 教授是突触稳态假说的创始人之一，她评论：“这项研究是表明睡眠需求和突触活动相关的强有力的证据。”

图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine | 汉化：科研圈

目前仍不清楚大脑中这些蛋白的额外磷酸化会引发怎样的结果，以及为什么清醒状态会导致磷酸化的发生。我们也还不了解磷酸化如何影响每种 SNIPP 蛋白的功能。尽管如此，SNIPP 中的突触蛋白-1 在磷酸化后发挥的作用为后续的研究提供了一个有趣的参考。

在一个突触中，“上游”神经元末端含有许多细小的囊泡，包裹着神经递质，等待着来自远端的信号，当信号抵达时，它们会冲向突触前膜，释放内部的神经递质进入突触间隙，这些神经递质会被“下游”神经元的突触后膜接收，从而实现信息的传递。突触蛋白-1 位于这些囊泡的表面，当它被磷酸化时，这些囊泡会更接近“上游”神经元的突触前膜。

哈佛医学院的临床神经科学家、睡眠研究专家 Thomas Scammell 表示：“也许睡眠过程中所发生的，就是这些变化帮助神经元为活动做好准备。”一种可能的解释是，在清醒状态下突触附近的神经递质被消耗了；在这种情况下，磷酸化的突触蛋白可能会调节新的神经递质的供应，并以某种方式记录大脑先前的活跃程度。（但值得注意的是，并没有任何一种蛋白质能够单独完整解释像睡眠需求这样的整体生物过程。）

睡眠需求的分子解释

哈佛医学院神经科学教授 Jonathan Lipton 认为，这总体上是一篇令人印象深刻的论文。很显然，这些科研人员瞄准了睡眠需求的分子机制，这个学界孜孜以求的目标。Lipton 说：“他们在这项研究中提出的论证是，他们发现某些突触蛋白状态的改变似乎与不断增加的睡眠需求相关。在分子和神经水平上，是什么导致了大脑对睡眠的需求？这显然正是他们在解决的问题。”

Lipton 和 Scammell 都表达了一些疑虑：实验中让小鼠保持清醒的方法，即把它们放在摇床上，会给小鼠造成一些压力。使用嗜睡小鼠作为无压力对照应该有助于解决这个问题，但 Scammell 还想知道，如果通过更温和的方式进行睡眠剥夺，例如敲打笼子或给它们玩些东西，这些小鼠的大脑中会不会产生相同的 SNIPP 蛋白。

荷兰赫尔辛基大学的睡眠研究员 Tarja Porkka-Heiskanen 认为，即使正如研究所示，磷酸化确实对追踪睡眠需求很重要，但它可能也只能提供一部分解释。Homer-1，一种被认为在睡眠剥夺期间的突触中非常重要的蛋白质，并没有出现在 SNIPP 蛋白的名单中。如果 Homer-1 并没有受到磷酸化过程的影响，这可能意味着几种不同的生化系统可能以互补的方式协同调节睡眠需求。然而，这项研究中使用的方法并不需要了解每种蛋白质的磷酸化程度的改变，因此 Homer-1 可能仍然发生了一些变化（但没有得到检测）。

接下来，研究人员计划更深入地研究 SNIPP 蛋白发挥的作用。这 80 种蛋白中的 12 种已被发现能以某种方式调节小鼠或人的睡眠，但其他许多蛋白尚未得到研究。刘庆华说，这 80 种蛋白只是一个候选名单，用来识别大脑中负责追踪睡眠和觉醒的蛋白，“其中的一些蛋白可能比其他蛋白更加重要……其他蛋白可能仅仅只是搭了它们的顺风车。这些问题仍丞待未来的研究解决”。

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

论文信息

【标题】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.

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

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