睡眠的分子和细胞机制仍然是个谜。已经在果蝇和老鼠身上采用了遗传学方法来寻找睡眠所需的基因。
2024年12月30日,北京大学饶毅团队在 Cell Chemical Biology(IF=6.6)在线发表题为“Calcineurin: An essential regulator of sleep revealed by biochemical, chemical biological, and genetic approaches”的研究论文,该研究表明钙调神经磷酸酶是一种睡眠的重要调节因子。
研究人员率先应用生物化学和化学生物学的方法来研究睡眠调节机制。研究发现钙调神经磷酸酶(CaN)是一种磷酸酶,能够在两个调节位点去磷酸化SIK3,但不是酶活性所需的位点。减少CaN使睡眠减少超过5小时,这是在小鼠中观察到的最显著的睡眠表型。这项研究揭示了睡眠调节中的磷酸酶-激酶途径,强调了生化纯化和化学生物学方法是对大脑功能研究有价值的有效技术。
睡眠是动物的一个重要生理过程,受昼夜节律和体内平衡过程的调节。在揭示调节睡眠的基因方面,对果蝇、老鼠、狗和人类采取的遗传学方法已被证明是强有力的。例子包括发现食欲素/下丘脑泌素及其受体在维持失眠中的作用,以及盐诱导激酶3 (SIK3)在调节睡眠中的作用。因为睡眠只能在动物中测量,而不能在分子上测量,所以现有的研究都依赖于电生理学和遗传学来启动果蝇和小鼠睡眠的分子和机制的发现。蛋白质磷酸化在不同的睡眠-觉醒相关状态之间有所不同。哺乳动物的睡眠被认为涉及蛋白激酶A(PKA);细胞外信号调节激酶(ERK);一磷酸腺苷(AMP)激活蛋白激酶(AMPK);钙(Ca2+)/钙调素(CaM)激酶II (CaMKII) a和b;c-Jun氨基末端激酶(JNK);SIK 3,1和2;和肝激酶B(lk B1)。据报道,CaMK2b基因敲除小鼠每24小时的睡眠减少超过120分钟,这比小鼠中其他已知的基因突变多。
机理模式图(图源自Cell Chemical Biology)关于哺乳动物睡眠中的蛋白磷酸酶(PPases)知之甚少。20世纪70年代发现的一种蛋白质被命名为钙调神经磷酸酶(CaN、PP2或PPP3),其功能在20世纪80年代被定性为磷酸酶。钙调神经磷酸酶是唯一一种Ca2+和钙调素(CaM)激活的磷酸酶,是一种二聚体,具有催化亚单位钙调神经磷酸酶A(具有三种替代物,PPP3CA、PPP3CB或PPP3CC)和调节亚单位钙调神经磷酸酶B(具有两种替代物PPP3R1或PPP 3rR2)。PPP3CA、PPP3CB和PPP3R1普遍表达,而PPP3CC和PPP3R2在睾丸中很重要。PPP3CA是大脑中最丰富的催化亚单位,PPP3R1是大脑中最丰富的调节亚单位。该研究使用对睡眠重要的激酶的磷酸化位点作为生化和化学生物学方法的靶标。在盐诱导激酶3 (SIK3)残基T469携带苏氨酸到丙氨酸替换的小鼠中睡眠增加。生化纯化和光交联揭示了钙调神经磷酸酶(CaN)在体外和体内对SIK3在T469和S551,而不是T221的去磷酸化。敲除CaN调节亚单位使每日睡眠减少超过5小时,超过所有已知的小鼠突变体。该工作揭示了CaN在睡眠中的重要生理作用,并开创了生化纯化和化学生物学作为研究睡眠的有效方法。
参考消息:
https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(24)00513-0