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老是昏昏欲睡原来是脑蛋白磷酸化在作祟

2018-09-15 11:56:32

出品|网易科学人栏目组 惜辰

据外媒《连线》报道,在研究了睡眠剥夺小鼠和Sik3突变小鼠的大脑化学状况后,筑波大学国际综合睡眠医学研究所的一个研究小组已确定有80种蛋白质出现了状态差异,在睡眠充足的正常老鼠中却未发现这些差异。科学家们认为,这一发现或许是从分子层面理解人类需要睡眠和感到困倦的原因的关键。

两年前,日本科学家发现了一只无法保持清醒状态的老鼠。它的Sik3基因发生了突变,睡眠时间会比通常的老鼠多30%。虽然醒来时显然精神振作,但它再次打盹的时间却比实验室中起对照作用的正常“室友”多得多,它似乎更需要睡眠。

在后续研究中,研究者描述了沉睡大脑中出现的许多现象。在脑电图仪中,被剥夺睡眠的大脑会产生缓慢的脑波,相较睡眠充分的大脑,这些脑波峰值较高,谷值较低。身体产生的某些物质会让人昏昏欲睡,有些物质却让人清醒。虽然睡眠占据了我们的许多时间,但睡眠有助于学习,也是生存所必需的。如果我们太长时间不睡觉,很可能会死掉。

令人困惑的是,睡眠如何发挥如此重要的作用以及大脑如何记录清醒的时间。据推测,睡眠需求的内部机制与睡眠期间复原的某些变化过程有关。

新的研究结果表明,一种生物化学方法可能会带来一些线索, 特别是研究这80种已被鉴定的蛋白质(以及其他可能蛋白质)的磷酸化作用(意指磷酰基的附着)。磷酸化通常会关闭或以其他方式调节蛋白质的活性,因此在这种情况下,它可能会改变这些蛋白质的某些功能。

睡眠减少,磷酸化增多

科学家团队认为,研究Sik3突变型小鼠(他们也称之为嗜睡小鼠)的磷酸化作用有望带来一定成果。Sik3基因所编码的酶发挥着添加磷酰基的作用,而嗜睡小鼠的突变让这种酶过度活跃,因此增添的磷酰基多于正常情况。研究文章合著者、德克萨斯西南大学和筑波大学的教授刘庆华(Qinghua Liu)表示,这种嗜睡状态“表明这些突变小鼠大脑中的磷酸化作用存在错误或发生了改变。”他近把工作转移到了北京生命科学研究所。

他们的实验比较了嗜睡小鼠和正常小鼠(睡眠充足或处于不同睡眠剥夺状态)。研究人员首先发现,在睡眠剥夺小鼠和Sik3突变型小鼠的大脑中,一些类似的磷酸化酶呈活跃状态。他们查看了大脑中的所有磷酸化蛋白质,发现虽然发生变化的蛋白质大致相同,但它们的标记看起来不同。嗜睡小鼠和正常小鼠彼此显著不同,睡眠充足的小鼠和睡眠剥夺小鼠之间也是如此。特别是,睡眠剥夺小鼠出现了更多的磷酸化作用;此外,嗜睡小鼠的许多蛋白质被磷酸化的程度高于正常小鼠。

总之,在Sik3突变型小鼠和睡眠剥夺小鼠中,80种蛋白质的磷酸化程度高于对照组。研究人员称这些为“睡眠需求指数磷蛋白质(以下简称SNIPP蛋白质)”。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的程度越高。

有趣的是,这些磷酸化蛋白质中超过80%(有69种)与突触(神经元相互连接的地方)相关。相较大脑整体,突触蛋白中的磷酸化比例远高于大脑作为整体的磷酸化比例。这暗示了突触和睡眠调节之间的关联性,这一关联是睡眠界常讨论的问题。

一种名为突触稳态假说的理论认为,虽然清醒可以通过学习和生成新的记忆来形成突触连接,但睡着可以让一些连接被删除或削弱,从而巩固和加强重要的记忆。一些研究表明,睡眠可以促进突触在清醒期间实现更大的活跃度。威斯康星大学麦迪逊分校的教授和威斯康星睡眠与意识研究所成员基娅拉·西雷利(Chiara Cirelli)是突触稳态假说的提出者之一,她说起这篇研究文章,“有力证据表明睡眠需求与突触活动有关。”

目前科学家们仍不清楚这些多出来的磷酸化蛋白质究竟如何影响大脑,以及清醒状态为什么会导致磷酸化现象。磷酸化如何改变每种SNIPP蛋白质的作用尚不清楚。尽管如此,突触蛋白-1是个有趣例子,可用以说明发生改变的磷酸盐起了怎样的作用。

在突触中,“上游”神经元将包含许多微小的气泡般的神经递质囊泡,它们一直等待着来自远处的信号。当信号到来,它们会冲向神经元的薄膜并把自身的物质释放到突触间隙中,在那里它们被另一个神经元接收,并传递信息。突触蛋白-1位于这些囊泡的表面。当它被磷酸化时,它们会更接近薄膜。

哈佛医学院的睡眠研究员和临床神经学家托马斯·斯卡梅尔(Thomas Scammell)表示,“也许这些变化能让神经元做好行动准备。”一种可能解释是,清醒状态消耗了突触附近的神经递质水平;在这种情况下,磷酸化既调节了新物质的到来,又以某种方式体现大脑的活跃程度。但值得注意的是,没有一种蛋白质可以单独地从生物学角度为这一过程提供完整的解释。

从分子层面解释睡眠需求

哈佛医学院神经病学教授乔纳森·利普顿(Jonathan Lipton)指出,总体而言,这是一篇令人印象深刻的研究论文。很明显,研究人员正致力于从分子层面解释睡眠需求这一寻求已久的目标。“他们在这项研究中提出的观点是,他们认为某些突触蛋白级联反应的变化似乎与不断增加的睡眠需求相关,”他说,“在分子和神经学水平上,大脑对睡眠的需求是什么?显然,这就是他们正在解决的问题。”

利普顿和斯卡梅尔都提出了一些疑虑:让小鼠保持清醒的方法——把它们放在摇桌上——产生了外力影响。斯卡梅尔想知道,若以更温和的方式(如,敲打笼子或让它们玩些东西)剥夺小鼠的睡眠,它们体内是否会产生相同的SNIPP蛋白质。

如果研究表明磷酸化确实对追踪睡眠需求很重要,那么它可能只是故事的一部分。荷兰赫尔辛基大学的睡眠研究员塔里亚·波尔卡-海斯卡宁(Tarja Porkka-Heiskanen)表示,在睡眠剥夺期间突触中一种被认为非常重要的蛋白质Homer-1并未出现在SNIPP蛋白质列表中。如果Homer-1与磷酸化现象无关,这意味着几种不同的生化系统可能以互补的方式影响着睡眠需求。尽管如此,研究人员使用的方法并不一定能够获取每种蛋白质的磷酸化变化,Homer-1未出现在SNIPP蛋白质列表中也可能是由于这个原因。

研究人员计划在未来更密切地关注SNIPP蛋白质的作用。研究者已发现,这80种蛋白质中有12种在某些方面会改变老鼠或人类的睡眠,但许多其它蛋白质还未经调查。刘庆华表示,这80种蛋白质只是识别影响大脑记录睡眠和清醒的重要因素的候选清单。“其中一些蛋白质的重要性可能高于其它蛋白质。还有些蛋白质可能无足轻重。未来仍需要对此展开研究。”

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