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      1. 一干正事兒就犯困?可能是這個基因在給你治病
        科研圈 · 2019/02/25
        日本科學家找到了一個獨立于生物鐘之外的睡眠調控基因,它不僅會讓果蠅犯困,還能產生抗菌肽,幫助抵抗感染。


        圖片來源:Pixabay

        本文轉載自“科研圈”,來源 the Atlantic,撰文 ED Yong,翻譯 賈曉璇,編輯 戚譯引。

        1909 年,日本科學家石森國臣(Kuniomi Ishimori)從缺乏睡眠的小狗身上抽取脊髓液,注射給睡眠充足、精力充沛的小狗,后者幾小時內便陷入沉睡。巧合的是,幾年后兩位法國研究者進行了相同的實驗,也得到了同樣的結果。這些研究及其他相關研究表明,困倦動物的血液中含有某種能催眠的化學物質。石森稱其為“深生物質”(hypogenic substances),其他研究者認為這是種“催眠劑”(somnogen)。

        令人驚訝的是,這些致眠化學物質的來源十分不明確,科學家們目前也只找到了很少幾種符合要求的物質。近日賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的戶田平福(音,Hirofumi Toda)發現了另一種致眠物質——Nemuri 基因,能在果蠅中能引發睡眠(論文鏈接)。更令人意外的是,該基因在感染過程中會變得異常活躍,并殺死入侵的微生物。這與體溫調節十分相似,可能是一個自我調節系統的一部分,我們可以稱其為“睡眠調節”(sleep-o-stat)。無論是因為缺乏睡眠還是身體虛弱,只要動物需要閉眼休息,“睡眠”基因就能讓它們迅速入睡。

        睡眠調節不同于讓我們晚上犯困的生物鐘。盡管科學家們對生物鐘已經有了較為徹底的了解,但對睡眠調節,幾近一無所知。戶田項目的領導者阿米塔·西格爾(Amita Sehgal)說:“長時間不睡覺后,是什么讓我們困意綿綿?我們迄今還沒能找到答案。”

        犯困的果蠅

        戶田從尋找那些激活之后會使果蠅更困倦的基因開始。為此,他研究了來自 8000 個不同品系的果蠅,每個品系都經過基因工程改造,通過添加不同的化學激發劑,能激活不同的基因。戶田將這些果蠅分別放入有紅外線監測的試管中。清醒的果蠅飛舞時會有規律地遮擋紅外線;而一旦睡著,靜止不動的果蠅不會對紅外線產生擾動。整個實驗群由計算機監控,記錄果蠅的運動,標記睡眠變多的實驗組。

        前不久,這項耗時耗力的實驗成功了。戶田發現在 8000 個可能的基因中,只有一個能誘發睡眠,這就是 Nemuri 基因,該團隊用日語中的睡眠一詞為其命名 。這一基因從未被研究過,“我們找到它的時候,都不知道它是什么,”。西格爾說。

        研究團隊剝奪果蠅的睡眠,他們要么有規律地搖晃試管,要么給它們喂咖啡因。在這種情況下,Nemuri 基因就會變得更加活躍,但只發生在果蠅大腦的某一對神經元中。Nemuri 基因表達后,會產生 Nemuri 蛋白質,作用于大腦中一個扇形的區域,它是已知的睡眠控制中心。如果故意激活 Nemuri基因,果蠅睡眠時間會比對照組延長 20%-30%,同時也會睡得更深:搖晃試管時它們更不容易醒,被搖醒的少數也是昏昏沉沉、行動遲緩。


        圖片來源:Pixabay

        催眠劑其實是抗菌肽?

        威斯康星大學麥迪遜分校(University of Wisconsin at Madison)的基婭拉·齊雷利(Chiara Cirelli)說:“這項工作很有意思。”之前齊雷利等人已經在果蠅中找到了與良好睡眠有關的基因,并且發現基因失活會導致睡眠減少。但相反的實驗還是第一次做:激活基因,引發更多睡眠。

        美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)的蘇珊·哈比森(Susan Harbison)說:“在此之前,我們已知的催眠劑很少,但這項研究告訴我們,這樣的分子沒準本來就這么少。”畢竟,戶田測試了 8000 個基因,只找到了一個 Nemuri,那么這種物質可能本來就不多。

        即便很少,也肯定還有其他催眠劑,因為 Nemuri 基因不能解釋所有現象。加利福尼亞州立大學北嶺分校(California State University at Northridge)的謝麗爾·范·布斯柯克(Cheryl van Buskirk)認為,如果該基因能讓困倦的果蠅入睡,那么抑制它就會擾亂睡眠,然而事實并不是這樣。戶田用 CRISPR 基因編輯技術使其失去活性后,果蠅仍會睡覺,而且睡眠時間基本不變;但它們遠比過去更容易醒,清醒時間也會更長。范·布斯柯克說:“由于果蠅睡眠和睡眠反彈都基本完好,因此 Nemuri 基因不太可能是睡眠調節系統的主要組成部分。”

        西格爾認為 Nemuri 基因在日常睡眠方面作用也許并不大,但在承受壓力、睡眠不足或生病的時候就非常重要了。事實上,她的團隊表明,Nemuri 蛋白質是一種抗菌肽(AMP,antimicrobial peptide),顧名思義,這種小分子能殺死微生物。

        Nemuri 基因的這種作用與對正常睡眠的作用相互交織。和人類一樣,果蠅生病后也會睡得更多。研究小組發現,當他們激活 Nemuri 基因時,疾病引起的睡眠時間會變長;抑制這一基因則會導致相反的效果。西格爾表示:“睡眠調節和免疫系統間存在緊密的聯系。”

        一其他可能的催眠劑也對免疫系統有微小影響。范·布斯柯克認為這些物質具有雙重作用,她補充道:“這些物質能直接打擊病菌,在打擊的同時還能促進睡眠,這種現象可能只是冰山一角。”

        在困倦的果蠅身上花費這么多精力似乎有些奇怪,尤其是人體內并不存在與 Nemuri 等效的基因。但西格爾指出,人類確實能產生 100 多種抗菌肽,它們也許能發揮相似的作用。她還指出,以往有許多研究睡眠的人在果蠅身上做出了發現,后來被證明對人類也有重要作用。

        二十五年前,西格爾還在邁克爾·楊(Michael Young)實驗室工作的時候,曾協助找出了一種能控制果蠅日常生物鐘的“無時間”基因(timeless)。人體內也不能找到明顯與其相似的物質,西格爾說,當時一些研究者懷疑這一發現對人類毫無用處。但隨著時間的推移,人體中類似的物質終被發現,并且它還與數種重要疾病有關。由于這項工作及其他杰出貢獻,楊于 2017 年獲得諾貝爾獎。西格爾說:“這樣的路我們走過好幾次了。”

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