科学研究

科研进展

睡眠新分子:饶毅实验室发现肠上皮产生特殊氨基酸调控睡眠

2019-05-08

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2019年5月7日,国际学术刊物《自然 通讯》在线发表北京脑科学与类脑研究中心、北大麦戈文脑科学研究所饶毅实验室的博士后戴熙慧敏和周恩兴等的研究论文:D-Serine made by serine racemase in Drosophila

intestine plays a physiological role in sleep(果蝇肠道产生的D型丝氨酸在睡眠中的生理作用)。他们发现了特别的分子——D型氨基酸调节睡眠这一重要的生理学过程。

这一研究有三点新颖的发现。

第一是D型氨基酸的作用。一般以为生物体内都是L型的氨基酸,约二十年前,科学研究发现体内有D型氨基酸,但很不理解其生理作用。戴熙慧敏和周恩兴等用遗传学和分子生物学方法发现D型丝氨酸在生理上发挥着调控睡眠的作用。

第二是肠道的奇特作用。一般认为脑内神经细胞调控睡眠。但戴熙慧敏和周恩兴等发现,虽然合成D型丝氨酸的酶(SR)在神经细胞和肠道上皮细胞都存在,但他们证明,合成酶的基因缺失后,会导致睡眠减少,只要把合成酶放回肠道表皮细胞就可以解决睡眠的问题。

第三是所谓兴奋性受体NMDA,却参与促进睡眠。已知NMDA受体是兴奋性神经递质谷氨酸的受体,而D型丝氨酸辅助谷氨酸激活NMDA受体。戴熙慧敏和周恩兴等发现D型丝氨酸通过NMDA受体而促进睡眠。一种想当然的看法是兴奋神经元应该导致觉醒,而抑制神经元应该导致睡眠。戴熙慧敏和周恩兴等的研究表明,睡眠的分子和细胞机理与一般的想法显然不同。


关于果蝇睡眠的研究

对动物来说,睡眠的意义毋庸置疑。但是睡眠的机理一直不清楚,睡眠异常患者需要的药物的效果也一直不能令人满意。以前用于研究睡眠的主要动物是小鼠。二十年前,美国科学家率先用果蝇研究睡眠,利用其遗传学的便利,发现了一些参与调节果蝇睡眠的基因。

果蝇睡眠的另一重要基础研究是果蝇的生物钟研究。自1971年开创的果蝇生物钟研究,在经历二十多年的质疑后,于1990年代中后期被证明对包括人类在内的哺乳类也有意义,逐渐证明调节果蝇生物钟的基因绝大多数也是调节人类生物钟的基因。

2017年,生物钟的诺贝尔奖发给三位研究果蝇生物钟的美国科学家,而未给研究小鼠和人的生物钟的科学家,原因是果蝇的研究为先驱,小鼠和人的研究也很重要但落后于果蝇的研究。

在睡眠方面的研究,果蝇能否也能领先?目前还没得到证明。什么是睡眠?果蝇的静息是睡眠吗?就算是睡眠,果蝇的睡眠机理一定和高等动物类似吗?这些问题都还悬而未决。

睡眠是饶毅实验室研究的生物学问题之一,近年该实验室开始研究果蝇和小鼠的睡眠。2017年,饶毅的研究生钱永军在elife发表论文,证明果蝇的五羟色胺调节睡眠,而且在细胞层面可以发现两个细胞表达特定的五羟色胺受体而调节睡眠。2018年,其博士后张娴和研究生闫洪铭在《分子药理学》发表论文,证明小鼠的五羟色胺参与调节睡眠,纠正了近年国外科学家两篇论文中提出的“五羟色胺不直接调节睡眠”的错误,重新确定了多年来人们认为五羟色胺参与哺乳类睡眠的结论。饶毅实验室这两篇论文也确定了从昆虫到哺乳类,神经递质五羟色胺都调节睡眠。2019年3月6日,饶毅实验室邓博文等发表的“化学连接组(CCT)”论文,其中部分实验用睡眠做模型,发现了41个影响果蝇睡眠的基因。


新发现:内源D型丝氨酸的功能

氨基酸有D和L两种构型。长期以来,教科书认为生物体内只有L型的氨基酸,没有D型氨基酸。近二十年发现动物体内有部分氨基酸的D型。但它们不参与蛋白质合成。那么它们起什么功能呢?这是一个谜。如果给动物喂D型氨基酸呢?只能看到外源的、非生理性来源的D型氨基酸的作用,而不能揭示内源、生理来源的D型氨基酸的作用。

戴熙慧敏和周恩兴等通过遗传筛选发现,D型丝氨酸的合成酶(丝氨酸异构酶,SR)参与睡眠,如果SR基因缺失,睡眠减少。在这一发现的基础上,他们进一步研究,总共研究了五个基因和两个药物——两个合成D型丝氨酸的酶,两个降解D型丝氨酸的酶,一个编码D型丝氨酸受体的基因。具体来讲,当任何一个合成D型丝氨酸的酶被基因突变而缺失后,睡眠都减少,而降解D型丝氨酸的酶缺乏后,睡眠却增加。D型丝氨酸受体的基因缺乏后,睡眠也减少。而通过给予不同的化学分子作为药物,发现只有D型丝氨酸可以挽救D型丝氨酸合成酶突变的睡眠表型。

这些实验结果,确定了D型丝氨酸可以调节睡眠。因为遗传突变改变的是内源的D型丝氨酸,所以证明的是内源D型丝氨酸的生理作用,而不是外源D型丝氨酸的非生理性作用。


SR表达在肠道的上皮细胞

戴熙慧敏和周恩兴等发现,合成D型丝氨酸的关键酶SR在果蝇神经系统里面表达于四个神经元中,这与哺乳类不同。哺乳类动物中,存在“SR存在于神经细胞还是神经胶质细胞”的争议。而迄今为止没有在果蝇的神经胶质细胞中检测到SR。戴熙慧敏和周恩兴发现,SR居然表达在肠道的上皮细胞。他们进一步发现,在果蝇全身缺乏SR而睡眠减少时,通过转基因把SR重新引入肠道特定的上皮细胞,就能挽救睡眠减少的表型,让果蝇恢复正常睡眠。

这一结果与近年热门的肠道细菌研究不同,发现的是肠道表皮细胞的作用,而非肠道内所含细菌的作用。

戴熙慧敏和周恩兴为共同第一作者,参与者还有研究生杨威、副教授张文霞、化学研究生张晓辉,通讯作者为饶毅。技术员杨光和实验员严萍萍提供了帮助。资助来源于北京市科委、北大清华生命科学联合中心、北京脑科学中心和国家自然科学基金会。


原文链接:

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