Nature Communications | 睡眠新分子：饒毅實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)腸上皮產(chǎn)生特殊氨基酸調(diào)控睡眠
2019年5月7日，國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《自然 通訊》在線發(fā)表北大生命科學(xué)學(xué)院、北大麥戈文腦科學(xué)研究所、北京腦科學(xué)與類腦研究中心饒毅實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的D型絲氨酸在睡眠中的生理作用）。他們發(fā)現(xiàn)了特別的分子——D型氨基酸調(diào)節(jié)睡眠這一重要的生理學(xué)過程。
這一研究有三點(diǎn)新穎的發(fā)現(xiàn)。
第一是D型氨基酸的作用。一般以為生物體內(nèi)都是L型的氨基酸，約二十年前，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)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(xué)和分子生物學(xué)方法發(fā)現(xiàn)D型絲氨酸在生理上發(fā)揮著調(diào)控睡眠的作用。
第二是腸道的奇特作用。一般認(rèn)為腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞調(diào)控睡眠。但戴熙慧敏和周恩興等發(fā)現(xiàn)，雖然合成D型絲氨酸的酶（SR）在神經(jīng)細(xì)胞和腸道上皮細(xì)胞都存在，但他們證明，合成酶的基因缺失后，會(huì)導(dǎo)致睡眠減少，只要把合成酶放回腸道表皮細(xì)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(jìn)睡眠。已知NMDA受體是興奮性神經(jīng)遞質(zhì)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(fā)現(xiàn)D型絲氨酸通過NMDA受體而促進(jìn)睡眠。一種想當(dāng)然的看法是興奮神經(jīng)元應(yīng)該導(dǎo)致覺醒，而抑制神經(jīng)元應(yīng)該導(dǎo)致睡眠。戴熙慧敏和周恩興等的研究表明，睡眠的分子和細(xì)胞機(jī)理與一般的想法顯然不同。
關(guān)于果蠅睡眠的研究
對(duì)動(dòng)物來說，睡眠的意義毋庸置疑。但是睡眠的機(jī)理一直不清楚，睡眠異?；颊咝枰乃幬锏男Ч惨恢辈荒芰钊藵M意。以前用于研究睡眠的主要?jiǎng)游锸切∈蟆６昵?，美?guó)科學(xué)家率先用果蠅研究睡眠，利用其遺傳學(xué)的便利，發(fā)現(xiàn)了一些參與調(diào)節(jié)果蠅睡眠的基因。
果蠅睡眠的另一重要基礎(chǔ)研究是果蠅的生物鐘研究。自1971年開創(chuàng)的果蠅生物鐘研究，在經(jīng)歷二十多年的質(zhì)疑后，于1990年代中后期被證明對(duì)包括人類在內(nèi)的哺乳類也有意義，逐漸證明調(diào)節(jié)果蠅生物鐘的基因絕大多數(shù)也是調(diào)節(jié)人類生物鐘的基因。
2017年，生物鐘的諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)給三位研究果蠅生物鐘的美國(guó)科學(xué)家，而未給研究小鼠和人的生物鐘的科學(xué)家，原因是果蠅的研究為先驅(qū)，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(lǐng)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(jī)理一定和高等動(dòng)物類似嗎？這些問題都還懸而未決。
睡眠是饒毅實(shí)驗(yàn)室研究的生物學(xué)問題之一，近年該實(shí)驗(yàn)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(fā)表論文，證明果蠅的五羥色胺調(diào)節(jié)睡眠，而且在細(xì)胞層面可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)細(xì)胞表達(dá)特定的五羥色胺受體而調(diào)節(jié)睡眠。2018年，其博士后張嫻和研究生閆洪銘在《分子藥理學(xué)》發(fā)表論文，證明小鼠的五羥色胺參與調(diào)節(jié)睡眠，糾正了近年國(guó)外科學(xué)家兩篇論文中提出的“五羥色胺不直接調(diào)節(jié)睡眠”的錯(cuò)誤，重新確定了多年來人們認(rèn)為五羥色胺參與哺乳類睡眠的結(jié)論。饒毅實(shí)驗(yàn)室這兩篇論文也確定了從昆蟲到哺乳類，神經(jīng)遞質(zhì)五羥色胺都調(diào)節(jié)睡眠。2019年3月6日，饒毅實(shí)驗(yàn)室鄧博文等發(fā)表的“化學(xué)連接組（CCT）”論文，其中部分實(shí)驗(yàn)用睡眠做模型，發(fā)現(xiàn)了41個(gè)影響果蠅睡眠的基因。
新發(fā)現(xiàn)：內(nèi)源D型絲氨酸的功能
氨基酸有D和L兩種構(gòu)型。長(zhǎng)期以來，教科書認(rèn)為生物體內(nèi)只有L型的氨基酸，沒有D型氨基酸。近二十年發(fā)現(xiàn)動(dòng)物體內(nèi)有部分氨基酸的D型。但它們不參與蛋白質(zhì)合成。那么它們起什么功能呢？這是一個(gè)謎。如果給動(dòng)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，D型絲氨酸的合成酶（絲氨酸異構(gòu)酶，SR）參與睡眠，如果SR基因缺失，睡眠減少。在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步研究，總共研究了五個(gè)基因和兩個(gè)藥物——兩個(gè)合成D型絲氨酸的酶，兩個(gè)降解D型絲氨酸的酶，一個(gè)編碼D型絲氨酸受體的基因。具體來講，當(dāng)任何一個(gè)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(xué)分子作為藥物，發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了D型絲氨酸可以調(diào)節(jié)睡眠。因?yàn)檫z傳突變改變的是內(nèi)源的D型絲氨酸，所以證明的是內(nèi)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(dá)在腸道的上皮細(xì)胞
戴熙慧敏和周恩興等發(fā)現(xiàn)，合成D型絲氨酸的關(guān)鍵酶SR在果蠅神經(jīng)系統(tǒng)里面表達(dá)于四個(gè)神經(jīng)元中，這與哺乳類不同。哺乳類動(dòng)物中，存在“SR存在于神經(jīng)細(xì)胞還是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞”的爭(zhēng)議。而迄今為止沒有在果蠅的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中檢測(cè)到SR。戴熙慧敏和周恩興發(fā)現(xiàn)，SR居然表達(dá)在腸道的上皮細(xì)胞。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在果蠅全身缺乏SR而睡眠減少時(shí)，通過轉(zhuǎn)基因把SR重新引入腸道特定的上皮細(xì)胞，就能挽救睡眠減少的表型，讓果蠅恢復(fù)正常睡眠。
這一結(jié)果與近年熱門的腸道細(xì)菌研究不同，發(fā)現(xiàn)的是腸道表皮細(xì)胞的作用，而非腸道內(nèi)所含細(xì)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(xué)研究生張曉輝，通訊作者為饒毅。技術(shù)員楊光和實(shí)驗(yàn)員嚴(yán)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(xué)聯(lián)合中心、北京腦科學(xué)中心和國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09544-9
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