北京大学饶毅团队Cell Chemical Biology：揭示睡眠调控新机制 | Cell Press对话科学家

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2024-12-31 17:00发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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划重点

01北京大学饶毅团队与化学与分子工程学院陈鹏教授课题组合作，在Cell Chemical Biology期刊发表了关于睡眠调控的新机制研究论文。

02通过生物化学和化学生物学方法，研究人员发现了参与小鼠睡眠调控的重要蛋白钙调磷酸酶(calcineurin)。

03研究发现，钙调磷酸酶的缺失导致小鼠睡眠增加，是目前已知小鼠遗传突变体中最强的睡眠变化。

04此外，该研究为睡眠研究提供了新的方法论，即结合生化纯化和化学生物学方法，以加速发现过程并加深对调控机制的理解。

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生命科学

Life science

2024年12月31日，北京大学饶毅教授团队和北京大学化学与分子工程学院陈鹏教授课题组合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Chemical Biology在线发表了题为“Calcineurin: An essential regulator of sleep revealed by biochemical, chemical biological, and genetic approaches”的研究论文。通过结合生物化学和化学生物学方法，发现了参与小鼠睡眠调控的重要蛋白。

北京大学饶毅教授为本文通讯作者，北京大学余建军博士、中国脑科学研究所刘慧洁博士、北京大学高瑞博士（陈鹏课题组）及博士研究生王涛和李成钢为本研究共同第一作者。

睡眠是动物的一个重要生理过程，受昼夜节律和稳态过程的调节。事实证明，在果蝇、小鼠、狗和人类身上采用遗传学方法能有效发现调节睡眠的基因。例如，发现了食欲素及其受体在维持觉醒方面的作用，以及盐诱导激酶3（SIK3）在调节睡眠方面的作用。

由于睡眠只能在动物身上测量，而不能在分子上测量，因此该领域目前主要依靠电生理学和遗传学来发现果蝇和小鼠的睡眠相关分子和机理。在评估了这些策略的优势和局限之后，饶毅教授团队决定尝试同时将经典的生物化学纯化方法和现代的化学生物学途径用于研究睡眠调控机制，并与北京大学化学与分子工程学院陈鹏教授课题组展开合作，以期发现新的睡眠调控基因和通路。研究结果全文在Cell Chemical Biology发表。

在这项研究中，团队首先确定了SIK3中469位点苏氨酸（T469）磷酸化的重要性，即将小鼠SIK3的T469突变为丙氨酸（A）（T469A），发现它导致小鼠睡眠增加，与之前报道的SIK3 S551A的睡眠表型趋势相同。随后该团队采用了两种途径寻找去磷酸化SIK3 T469和S551位点的磷酸酶：1）从人胚胎肾脏（HEK）293T细胞中用经典生物化学纯化T469和S551的磷酸酶；2）使用陈鹏课题组开发的可应用于活体组织样品的可见光催化化学交联策略，在小鼠脑组织中捕捉与SIK3相互作用的蛋白。两种方法殊途同归，都找到了钙调磷酸酶（calcineurin, CaN）的催化亚基PPP3CA。进一步的体内外生物化学实验表明，CaN能够以Ca²⁺、CaM和调节亚基PPP3R1依赖的方式特异性的去除T469和S551的磷酸基团，而不影响T221的磷酸基团，后者的磷酸化增强SIK3的激酶活性，并促进睡眠，且其水平可以反应睡眠需求。睡眠表型上，条件性敲除成年小鼠的PPP3CA 基因在 24 小时内减少其睡眠约 3小时，而条件性敲除PPP3R1基因减少5小时以上，超过了所有已知小鼠遗传突变体的睡眠变化。从睡眠变化的程度来看，CaN是迄今为止发现的最重要的睡眠调节因子。

总的来说，该研究成功地利用生化纯化和化学生物学发现了重要的睡眠调控分子，显示了遗传学外，还有生物化学和化学生物学对睡眠研究有巨大潜力。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文的研究团队进行了专访，请他们为大家进一步解读。

CellPress：

近年来对哺乳动物睡眠调控分子机理的研究现状如何？

研究团队：

睡眠这一表型是否由少数核心基因调控仍存在争议。正向遗传筛选是寻找针对特定行为表型重要基因的经典方法，以往在果蝇中通过该方法的确发现了一系列调控果蝇睡眠的基因，但由于物种保守性无法预测，这些基因大多无法直接应用于小鼠等哺乳动物。同时考虑到时间和物力成本，在小鼠中进行针对睡眠的大规模前向遗传筛选目前仅有一例，即SIK3的发现，但我们已经证明SIK3的缺失突变对小鼠的睡眠影响极其微弱，所以目前为止，还没有任何参与哺乳动物睡眠调控的核心分子得到发现和认可。

CellPress：

本研究对理解睡眠调控分子机制有哪些具体的意义？

研究团队：

本研究的主要意义在于发现了一个参与小鼠睡眠调控的磷酸酶CaN。该磷酸酶的缺失引起的睡眠表型变化是目前所有已知小鼠遗传突变体中最强的。另外CaN的发现同样揭示了磷酸化/去磷酸化这一动态过程对于睡眠行为的重要影响，将进一步推动对激酶-磷酸酶这一共轭对在睡眠领域的研究。此外，CaN的钙离子依赖特性也提示了一系列钙离子浓度调控过程对睡眠的可能影响，如胞外配体、神经元活性、胞内代谢过程变化等。总的来说，CaN参与小鼠睡眠调控的新发现将进一步加深我们对睡眠调控分子机理的认知。

CellPress：

本研究还有哪些亮点？

研究团队：

本研究为睡眠研究的方法论做出了特殊贡献。由于睡眠参数只能在个体动物上测量，以往的睡眠研究几乎完全依靠电生理学和遗传学来发现可能的睡眠调控分子。本研究则开创性的提出了结合生化纯化的生物化学方法和光催化化学交联的化学生物学方法，依据已知的睡眠调控蛋白，首先在细胞水平进行生化纯化以及在脑组织原位捕捉新的调控蛋白，随后在体内进行电生理学和遗传学验证的新方式。一方面，该方法无疑可以加速发现过程，另一方面，由于是依托已知分子，新发现的蛋白可以迅速整合进已知的信号通路中，从而快速加深对调控机制的理解。同时，该方法理论上可以应用到对参与其他行为调节的基因发现之中。