Nature：一种转录调节小鼠睡眠量的信号通路被发现

原文题目：A signalling pathway for transcriptional regulation of sleep amount in mice

通讯作者：Qinghua Liu

隶属单位：中国北京生命科学研究院

DOI：10.1038/s41586-022-05510-6

LKB1激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）家族的所有14个成员，包括SIK3。在昏昏欲睡中（Sik3斯洛普）突变小鼠，）功能获得突变SIK3激酶显着增加NREMS的数量，并持续增加脑电图（EEG）δ（1-4Hz）功率密度7.西克3斯洛普突变导致Sik3转录本中外显子13的跳过和SIK3蛋白中52个氨基酸的缺失，包括抑制性磷酸化位点Ser551。因此，SIK3（S551A）敲入小鼠概括了Sleepy突变表型。

SIK3 磷酸化并通过结合 14-3-3 蛋白的细胞质隔离来抑制 IIa 类组蛋白脱乙酰酶（HDAC4、HDAC5、HDAC7 和 HDAC9）。IIa类HDACs在去磷酸化时易位到细胞核，并调节转录因子（如MEF2，FOXO和CREB）在不同发育和生理过程中的活性。此外，Hdac4 副体 Hda-4 在 Sik3 旁白 Kin-29 的下游起作用，介导秀丽隐杆线虫嗜睡（一种类似睡眠的状态）的代谢调节。

图1：LKB1–SIK3信号抑制HDAC4/5调节NREMS。

经典的种系小鼠遗传学方法对于分析由于早期致死性而分析必需基因的睡眠功能或由于睡眠表型的掩蔽而导致的冗余基因非常耗时且笨拙。在这里，我们应用腺相关病毒（AAV）介导的体细胞遗传学分析来表征成年小鼠Lkb1，Sik3，Hdac4，Hdac5和Creb1的睡眠功能 - 所有这些都是必需或冗余基因 - 通过跳过小鼠发育和最小化遗传杂交。我们的遗传、生化和转录组学研究确定LKB1–SIK3–HDAC4/5–CREB（HDAC4/5 指 HDAC4 和 HDAC5）是转录调节小鼠每日睡眠量的主要分子途径。

图 2：HDAC4 和/或 HDAC5 的 ABC 敲除增加了 NREMS 量和增量功率。

基于这些结果，我们提出了一种用于小鼠日常睡眠量的转录调节工作模型，其中LKB1通过T221磷酸化激活SIK3，通过磷酸化和细胞质隔离抑制HDAC4 / 5的活性来增加NREMS量和δ功率。HDAC4/5的磷酸化在暗期逐渐增加，在光明期减少，跟踪24小时周期内睡眠需求的积累和消散。HDAC4/5的去磷酸化使它们能够易位到细胞核，并与CREB和其他辅助因子合作，通过转录抑制睡眠促进基因和/或激活唤醒促进基因来减少NREMS。值得注意的是，HDAC4/5（CN）在光照阶段并没有降低NREMS量，这表明可能存在额外的机制来抵消核HDAC4/5在白天的影响。此外，HDAC4/5（而非CREB）功能的增益或损耗显著改变了NREMS增量功率。HDAC4/5（CN）增加，而CREB减少，REMS量增加。这些观察结果表明，HDAC4可能靶向其他转录因子来调节NREMS增量功率或REMS量。

图3：ABC表达式HDAC4/5（CN）降低了NREMS量和增量功率。

对Sleepy突变体和睡眠不足的野生型小鼠大脑的定量磷酸化蛋白质组学分析先前确定了80种主要是突触睡眠需要指数磷酸化蛋白（SNIPPs），这表明突触磷酸化蛋白质组与稳态睡眠调节之间存在机制联系。HDAC4/5和CREB的许多靶基因也编码突触功能的关键调节因子，并受昼夜节律调节的影响。因此，睡眠量的翻译后和转录调节都可以通过调节突触功能来介导。需要进一步的研究来确定HDAC4 / 5和CREB的睡眠调节靶基因，这应该为睡眠的稳态和昼夜节律调节机制提供重要的见解。

图6：HDAC4和CREB在转录调控中协同发挥作用。

我们的研究结果表明，HDAC4调节下丘脑后部的NREMS量而不是POA，这表明可能存在一个未表征的大脑中枢来调节睡眠量。这一发现与随附的文章一致，该文章表明下丘脑和皮质神经元中的SIK3-HDAC4信号传导分别调节NREMS量和NREMS增量功率，使用经典的种系小鼠遗传学通过杂交Sik3絮絮和 Hdac4絮絮具有各种Cre转基因小鼠的小鼠。这些补充研究引入了靶向转录调节剂的信号通路的概念，以调节哺乳动物的日常睡眠量。这些研究的比较突出了AAV介导的体细胞遗传学分析在促进快速识别新的睡眠调节基因，通过急性操作产生更强的睡眠表型以及有效解剖小鼠睡眠调节分子途径方面的能力。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05510-6

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