正向基因?qū)W研究任意突變下小鼠的睡眠變化

Forward-geneticsanalysisofsleepin

randomlymutagenizedmice1正向基因?qū)W與反向基因?qū)W傳統(tǒng)的遺傳學(xué)手段大致可以分為正向基因?qū)W和反向基因?qū)W兩類。正向基因?qū)W從表型變化研究基因變化，而反向遺傳學(xué)從基因變化研究表型變化。正向基因篩選是發(fā)現(xiàn)和表征前所未有的基因作用的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但這一技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵的前題條件是這些性狀可以被準(zhǔn)確的評(píng)定。2睡眠的不同階段睡眠包括非快速動(dòng)眼睡眠（NREM）和快速動(dòng)眼睡眠（REM）兩個(gè)階段。通常人的夢(mèng)境都發(fā)生在快速動(dòng)眼睡眠階段，當(dāng)一個(gè)睡眠階段結(jié)束后，就會(huì)迎來(lái)另一個(gè)睡眠階段。在快速眼動(dòng)階段中，腦血流及代謝增加，引起心率加快，呼吸快而不規(guī)則，血壓稍上升，體溫升高，腦電波狀況與清醒時(shí)相似，呈低電壓快波。3“瞌睡蟲”和“無(wú)夢(mèng)者”HiromasaFunato通過(guò)對(duì)8000多只小鼠進(jìn)行了持續(xù)兩天的睡眠規(guī)律記錄，篩選出了兩組特殊的小鼠，其中一組平均每天睡15小時(shí)以上，比正常情況多3.5小時(shí)左右；另一組小鼠的快速動(dòng)眼睡眠時(shí)間減少了44%。后續(xù)的測(cè)序工作發(fā)現(xiàn)這兩組小鼠的突變分別影響了Silk3和Nalcn基因。4“瞌睡蟲”與Sik3基因研究發(fā)現(xiàn)“瞌睡蟲”的深度睡眠時(shí)間更長(zhǎng)，但是對(duì)于咖啡因的反應(yīng)并無(wú)異常，這說(shuō)明“瞌睡蟲”的促進(jìn)覺(jué)醒的神經(jīng)回路沒(méi)有損傷（圖見下頁(yè)）。并且“瞌睡蟲”的晝夜節(jié)律沒(méi)有出現(xiàn)異常。這說(shuō)明“瞌睡蟲”的基因突變是通過(guò)增加深度睡眠來(lái)影響睡眠時(shí)間。56“瞌睡蟲”與Sik3基因Sik3是一種在全身表達(dá)的蛋白激酶，并且在腦部不止在已知的睡眠調(diào)節(jié)區(qū)域表達(dá)。后續(xù)的研究顯示Sik3的一個(gè)單核苷酸突變可以使得Sik3基因的第13個(gè)蛋白編碼區(qū)域丟失。7“瞌睡蟲”與Sik3基因在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)unato通過(guò)基因編輯技術(shù)（ZNF和CRISPR-Cas9）再現(xiàn)了“瞌睡蟲”的表型（圖見下頁(yè)），進(jìn)一步證明了新表型與Sik3基因的關(guān)系。89“無(wú)夢(mèng)者”與Nalcn基因與“瞌睡蟲”不同，“無(wú)夢(mèng)者”的晝夜節(jié)律表現(xiàn)型出現(xiàn)了改變，這一現(xiàn)象表明快速動(dòng)眼睡眠受到晝夜節(jié)律的調(diào)控，而深度睡眠可能不受晝夜節(jié)律調(diào)控。由于快速眼動(dòng)睡眠減少是人類認(rèn)知功能減退的先兆之一，因此研究Nalcn基因的突變可能有助于治療認(rèn)知功能減退。1011總結(jié)通過(guò)正向基因篩選，發(fā)現(xiàn)了兩組小鼠，分別具有睡眠時(shí)間增長(zhǎng)、快速動(dòng)眼睡眠階段縮短的特點(diǎn)。這兩種性狀分別與Sik3、Nalcn基因有關(guān)。通過(guò)CRISPR-Cas9和ZNF技術(shù)可以重現(xiàn)這兩種突變，進(jìn)一步證實(shí)了性狀與基因的關(guān)系。Sik3基因的突變不會(huì)影響小鼠的晝夜節(jié)律，而Nalcn的突變會(huì)影響晝夜節(jié)律。12參考文獻(xiàn)[1]HiromasaFunato,ChikaMiyoshi,TomoyukiFujiyama.Forward-geneticsanalysisofsleepinrandomlymutagenizedmice.Nature,

2016,

539(7629).[2]Xu,M.etal.Basalforebraincircuitforsleep-wakecontrol.Nat.Neurosci.18,1641–1647(2015).[3]Saper,C.B.,Scammell,T.E.&Lu,J.Hypothalamicregulationofsleepandcircadianrhythms.Nature437,1257–1263(2005).[4]Mashiko,D.etal.Generationofmutantmicebypronuclearinjectionofcircula