科學研究

科研進展

睡眠新分子:饒毅實驗室發現腸上皮產生特殊氨基酸調控睡眠

    |    分享:
2019-05-08

微信圖片_20190508090809.jpg

2019年5月7日,國際學術刊物《自然 通訊》在線發表北京腦科學與類腦研究中心、北大麥戈文腦科學研究所饒毅實驗室的博士后戴熙慧敏和周恩興等的研究論文:D-Serine made by serine racemase in Drosophila

intestine plays a physiological role in sleep(果蠅腸道產生的D型絲氨酸在睡眠中的生理作用)。他們發現了特別的分子——D型氨基酸調節睡眠這一重要的生理學過程。

這一研究有三點新穎的發現。

第一是D型氨基酸的作用。一般以為生物體內都是L型的氨基酸,約二十年前,科學研究發現體內有D型氨基酸,但很不理解其生理作用。戴熙慧敏和周恩興等用遺傳學和分子生物學方法發現D型絲氨酸在生理上發揮著調控睡眠的作用。

第二是腸道的奇特作用。一般認為腦內神經細胞調控睡眠。但戴熙慧敏和周恩興等發現,雖然合成D型絲氨酸的酶(SR)在神經細胞和腸道上皮細胞都存在,但他們證明,合成酶的基因缺失后,會導致睡眠減少,只要把合成酶放回腸道表皮細胞就可以解決睡眠的問題。

第三是所謂興奮性受體NMDA,卻參與促進睡眠。已知NMDA受體是興奮性神經遞質谷氨酸的受體,而D型絲氨酸輔助谷氨酸激活NMDA受體。戴熙慧敏和周恩興等發現D型絲氨酸通過NMDA受體而促進睡眠。一種想當然的看法是興奮神經元應該導致覺醒,而抑制神經元應該導致睡眠。戴熙慧敏和周恩興等的研究表明,睡眠的分子和細胞機理與一般的想法顯然不同。


關于果蠅睡眠的研究

對動物來說,睡眠的意義毋庸置疑。但是睡眠的機理一直不清楚,睡眠異常患者需要的藥物的效果也一直不能令人滿意。以前用于研究睡眠的主要動物是小鼠。二十年前,美國科學家率先用果蠅研究睡眠,利用其遺傳學的便利,發現了一些參與調節果蠅睡眠的基因。

果蠅睡眠的另一重要基礎研究是果蠅的生物鐘研究。自1971年開創的果蠅生物鐘研究,在經歷二十多年的質疑后,于1990年代中后期被證明對包括人類在內的哺乳類也有意義,逐漸證明調節果蠅生物鐘的基因絕大多數也是調節人類生物鐘的基因。

2017年,生物鐘的諾貝爾獎發給三位研究果蠅生物鐘的美國科學家,而未給研究小鼠和人的生物鐘的科學家,原因是果蠅的研究為先驅,小鼠和人的研究也很重要但落后于果蠅的研究。

在睡眠方面的研究,果蠅能否也能領先?目前還沒得到證明。什么是睡眠?果蠅的靜息是睡眠嗎?就算是睡眠,果蠅的睡眠機理一定和高等動物類似嗎?這些問題都還懸而未決。

睡眠是饒毅實驗室研究的生物學問題之一,近年該實驗室開始研究果蠅和小鼠的睡眠。2017年,饒毅的研究生錢永軍在elife發表論文,證明果蠅的五羥色胺調節睡眠,而且在細胞層面可以發現兩個細胞表達特定的五羥色胺受體而調節睡眠。2018年,其博士后張嫻和研究生閆洪銘在《分子藥理學》發表論文,證明小鼠的五羥色胺參與調節睡眠,糾正了近年國外科學家兩篇論文中提出的“五羥色胺不直接調節睡眠”的錯誤,重新確定了多年來人們認為五羥色胺參與哺乳類睡眠的結論。饒毅實驗室這兩篇論文也確定了從昆蟲到哺乳類,神經遞質五羥色胺都調節睡眠。2019年3月6日,饒毅實驗室鄧博文等發表的“化學連接組(CCT)”論文,其中部分實驗用睡眠做模型,發現了41個影響果蠅睡眠的基因。


新發現:內源D型絲氨酸的功能

氨基酸有D和L兩種構型。長期以來,教科書認為生物體內只有L型的氨基酸,沒有D型氨基酸。近二十年發現動物體內有部分氨基酸的D型。但它們不參與蛋白質合成。那么它們起什么功能呢?這是一個謎。如果給動物喂D型氨基酸呢?只能看到外源的、非生理性來源的D型氨基酸的作用,而不能揭示內源、生理來源的D型氨基酸的作用。

戴熙慧敏和周恩興等通過遺傳篩選發現,D型絲氨酸的合成酶(絲氨酸異構酶,SR)參與睡眠,如果SR基因缺失,睡眠減少。在這一發現的基礎上,他們進一步研究,總共研究了五個基因和兩個藥物——兩個合成D型絲氨酸的酶,兩個降解D型絲氨酸的酶,一個編碼D型絲氨酸受體的基因。具體來講,當任何一個合成D型絲氨酸的酶被基因突變而缺失后,睡眠都減少,而降解D型絲氨酸的酶缺乏后,睡眠卻增加。D型絲氨酸受體的基因缺乏后,睡眠也減少。而通過給予不同的化學分子作為藥物,發現只有D型絲氨酸可以挽救D型絲氨酸合成酶突變的睡眠表型。

這些實驗結果,確定了D型絲氨酸可以調節睡眠。因為遺傳突變改變的是內源的D型絲氨酸,所以證明的是內源D型絲氨酸的生理作用,而不是外源D型絲氨酸的非生理性作用。


SR表達在腸道的上皮細胞

戴熙慧敏和周恩興等發現,合成D型絲氨酸的關鍵酶SR在果蠅神經系統里面表達于四個神經元中,這與哺乳類不同。哺乳類動物中,存在“SR存在于神經細胞還是神經膠質細胞”的爭議。而迄今為止沒有在果蠅的神經膠質細胞中檢測到SR。戴熙慧敏和周恩興發現,SR居然表達在腸道的上皮細胞。他們進一步發現,在果蠅全身缺乏SR而睡眠減少時,通過轉基因把SR重新引入腸道特定的上皮細胞,就能挽救睡眠減少的表型,讓果蠅恢復正常睡眠。

這一結果與近年熱門的腸道細菌研究不同,發現的是腸道表皮細胞的作用,而非腸道內所含細菌的作用。

戴熙慧敏和周恩興為共同第一作者,參與者還有研究生楊威、副教授張文霞、化學研究生張曉輝,通訊作者為饒毅。技術員楊光和實驗員嚴萍萍提供了幫助。資助來源于北京市科委、北大清華生命科學聯合中心、北京腦科學中心和國家自然科學基金會。


原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09544-9