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Nature | 線粒體: 嘿, 人! 該睡覺(jué)了欸
"熬的不是夜，是'偷來(lái)'的短暫自由""白天歸順于生活，晚上臣服于靈魂"—— 千千萬(wàn)萬(wàn)"守零人"的內(nèi)心獨(dú)白！
線粒體：哈？人！關(guān)掉你的網(wǎng)抑云，我要裂了......
Section.01
人為什么會(huì)睡覺(jué)？
你有沒(méi)有想過(guò)，我們?yōu)槭裁磿?huì)睡覺(jué)？ 我指的是......不受控的，打瞌睡。無(wú)論你憑借意志陪月亮熬到凌晨幾點(diǎn)，終有一個(gè)瞬間閉眼投降。緊跟著的便是熬夜過(guò)后身體的種種不良反應(yīng)，讓你感覺(jué)身體被掏空，下一秒就要見(jiàn)到老天奶。。。
其實(shí)從進(jìn)化的角度看，睡眠并不是件好事。因?yàn)槿绻矬w長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法感知和與環(huán)境互動(dòng)，可能會(huì)增加被捕食的風(fēng)險(xiǎn)。但神奇的是！從秀麗隱桿線蟲(chóng)的簡(jiǎn)單神經(jīng)系統(tǒng)，一直到人類大腦，睡眠從未被進(jìn)化掉？！[1]。
于是，科學(xué)家們將睡眠稱之為一種非常特殊的現(xiàn)象。加之睡眠不足會(huì)帶來(lái)認(rèn)知能力受損、代謝功能障礙、患病風(fēng)險(xiǎn)增加，甚至?xí)?dǎo)致死亡等有害影響。So，睡眠，既是動(dòng)物界最常見(jiàn)的行為之一，也是自然界最大的謎團(tuán)之一。
你可能要說(shuō)了，存在即合理嘛~ 哎嘿！兄弟，它不僅合理，還有規(guī)律——生物鐘。
生物鐘，又稱晝夜節(jié)律 (Circadian rhythm)：是一種生理現(xiàn)象，以內(nèi)源性、持續(xù)的，呈現(xiàn)以約 24 小時(shí)為周期的變動(dòng)。
圖 1. 含羞草的葉片白天張開(kāi)，黃昏時(shí)閉合。且當(dāng)含羞草處于持續(xù)黑暗中時(shí)，其葉片仍會(huì)維持正常的晝夜節(jié)律[2]。
科學(xué)家成功克隆了 "周期" 基因 period，period 基因的編碼蛋白 PER 夜間積累，白天降解，其蛋白水平的 24 h 周期性波動(dòng)與晝夜節(jié)律同步。TIM 蛋白可以與 PER 蛋白結(jié)合，攜帶后者進(jìn)入細(xì)胞核，通過(guò)抑制 period 基因活性來(lái)完成負(fù)反饋調(diào)控，減少自身蛋白的合成。此外，基因 doubletime 編碼的蛋白 DBT 可以延緩 PER 蛋白的積累，使后者的震蕩頻率基本吻合 24 h 周期 (圖 2)。
圖 2. period 基因負(fù)反饋調(diào)控環(huán)路[2]。
2017 年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)也讓果蠅這一卓爾不凡的小動(dòng)物再次身顯名揚(yáng)，這也是第五座因果蠅而獲得的諾獎(jiǎng)。后續(xù)小 M 會(huì)位大家專門(mén)出一期關(guān)于實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)模式生物的文章，小伙伴們可以淺淺關(guān)注一下~
言歸正傳！果蠅，作為研究睡眠相當(dāng)有用的動(dòng)物模型[3]。研究發(fā)現(xiàn)，在其睡眠調(diào)節(jié)神經(jīng)回路中，背側(cè)扇形體 (dorsal fan-shaped body, dFB/dFNBs) 是主要的促進(jìn)睡眠區(qū)域[4]。更為神奇的是，近期 Nature 發(fā)表的研究性論文發(fā)現(xiàn)，睡眠與線粒體緊密相關(guān)——當(dāng)在背側(cè)扇狀體 (dFBNs) 中檢測(cè)到過(guò)多的線粒體損傷時(shí)，就會(huì)觸發(fā)睡眠。
Section.02
Nature 發(fā)文:
線粒體起源的睡眠壓力
2025 年 7 月 16 日，Nature 發(fā)表標(biāo)題為“Mitochondrial origins of the pressure to sleep”的研究性論文，該論文研究了睡眠壓力 (sleep pressure) 的線粒體起源，探討了大腦中分子變化與睡眠需求的關(guān)聯(lián)[5]。
線粒體基因表達(dá)上調(diào)
首先，研究人員通過(guò)分析休息和睡眠剝奪的果蠅的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)在睡眠剝奪后，上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本主要在投射到背側(cè)扇狀體 (dFBNs) 的睡眠控制神經(jīng)元中表達(dá)，且在 dFBN 中上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本，幾乎只編碼參與線粒體呼吸和 ATP 合成的蛋白質(zhì) (圖 3a)。
如圖所示，通過(guò)對(duì) 12 小時(shí)夜間睡眠剝奪后 dFBN 中水平發(fā)生變化的 122 個(gè)轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行基因本體分析，發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪導(dǎo)致編碼電子傳遞復(fù)合物 I-IV、ATP 合酶 (復(fù)合物 V)、ATP-ADP 載體 sesB 和三羧酸循環(huán)酶 (檸檬酸合酶 kdn、琥珀酸脫氫酶 B 亞基和蘋(píng)果酸脫氫酶 Men-b) 成分的轉(zhuǎn)錄本選擇性上調(diào)，而參與突觸組裝、突觸囊泡釋放和突觸前穩(wěn)態(tài)可塑性的基因產(chǎn)物則選擇性下調(diào)。
睡眠剝奪 — 線粒體: 不睡么? 我要 "裂" 了
作者用基質(zhì)定位的綠色熒光蛋白 (mito-GFP) 標(biāo)記了 dFBN 的線粒體，并在一系列獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)中，用共聚焦激光掃描顯微鏡 (CLSM) 或光學(xué)光子重排顯微鏡 (OPRM) 對(duì)神經(jīng)元的樹(shù)突區(qū)進(jìn)行成像。發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪后的基因表達(dá)變化伴隨著線粒體碎片化、線粒體自噬增強(qiáng)以及線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間接觸數(shù)量的增加，恢復(fù)睡眠后，形態(tài)變化是可逆的。
首先，在線粒體形態(tài)上，研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是機(jī)械攪拌還是人為提高多巴胺水平所致的睡眠剝奪，都會(huì)導(dǎo)致 dFBN s 中線粒體的尺寸縮小、伸長(zhǎng)率降低、分支減少 (圖 4a-b)。并導(dǎo)致動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白 1 (Drp1) (外膜的關(guān)鍵裂變動(dòng)力蛋白) 從細(xì)胞質(zhì)移位到線粒體表面 (圖 4c)，OPRM 檢測(cè)到線粒體數(shù)量的伴隨增加 (圖 4b)，表明線粒體發(fā)生分裂。同時(shí)，睡眠剝奪的果蠅的 dFBN 中接觸位點(diǎn)計(jì)數(shù)較高，也就是說(shuō)睡眠剝奪導(dǎo)致 dFBN 中線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸更加豐富，從而形成補(bǔ)充過(guò)氧化脂質(zhì)的通道 (圖 4d)。同時(shí)，mito-QC (一種檢測(cè)線粒體進(jìn)入酸性自噬溶酶體的比例傳感器) 則報(bào)告了線粒體自噬增強(qiáng) (圖 4e)。而在隨后的恢復(fù)睡眠期間，線粒體的增殖和融合導(dǎo)致它們的體積、形狀和分支長(zhǎng)度反彈至基線值以上 (圖 4a-b)。這表明線粒體損傷可能會(huì)引發(fā)睡眠沖動(dòng)。
此外，利用基因編碼的 ATP 傳感器 iATPSnFR 和 ATeam 進(jìn)行的測(cè)量表明，一夜睡眠剝奪后，dFBN 中的 ATP 濃度比靜息狀態(tài)下高出約 1.2 倍。而當(dāng) dFBN 本身受到刺激 (模擬睡眠) 時(shí)，ATP 濃度會(huì)降至基線以下，這是由于 dFBN 去極化會(huì)增加 Na+-K+ 泵的 ATP 消耗，從而減少電子向 ROS 的轉(zhuǎn)移 (圖 5)，這保留了其線粒體的形態(tài)。
線粒體：裂變—睡的少，融合—叫不醒
隨后，作者人為地人為控制了線粒體的裂變和融合。因?yàn)槿绻€粒體裂變和融合之間平衡的變化是反饋機(jī)制的一部分。那么在 dFBN 中實(shí)驗(yàn)性地誘導(dǎo)這些穩(wěn)態(tài)反應(yīng)應(yīng)該會(huì)改變睡眠的設(shè)定點(diǎn)：線粒體的分裂預(yù)計(jì)會(huì)減少睡眠時(shí)間和深度，而反之線粒體融合預(yù)計(jì)會(huì)增加睡眠時(shí)長(zhǎng)和深度。
于是，作者對(duì)在線粒體動(dòng)力學(xué)中具有中心調(diào)控作用的三種 GTP 酶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)控制 (圖 4a)：(1) 裂變動(dòng)力蛋白 Drp1，以及內(nèi)外線粒體膜的整合蛋白 (2) 視神經(jīng)受損 1 (Opa1) 和 (3) 線粒體融合蛋白子 (Marf) (它們?cè)陧樖胶头词降木酆鲜沟孟鄳?yīng)的膜融合)。
通過(guò)過(guò)表達(dá) Drp1 或 RNAi 介導(dǎo)的 Opa1 減少 (在較小程度上也包括 Marf) 來(lái)使 dFBN 線粒體碎片化，減少了睡眠 (圖 7a-b)。消除對(duì)睡眠剝奪的穩(wěn)態(tài)反應(yīng) (圖 7c)，并且無(wú)論睡眠史如何，均降低了 dFBN 中的 ATP 濃度。
將平衡傾向于線粒體融合則產(chǎn)生了相反的效果：在 dFBN 中敲低 Drp1 或過(guò)表達(dá) Opa1 加 Marf——或者單獨(dú)過(guò)表達(dá) Opa1，但不包括單獨(dú)過(guò)表達(dá) Marf——增加了基線及反彈睡眠 (圖 7a-c)，并提高了覺(jué)醒閾值，且不會(huì)引起過(guò)表達(dá)偽影或明顯的發(fā)育缺陷。
同時(shí)，當(dāng)這些干預(yù)針對(duì)投射神經(jīng)元或 Kenyon 細(xì)胞時(shí)，沒(méi)有改變睡眠。報(bào)道顯示，在泛神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞 RNAi 敲低 Drp1 或 Marf 基因后，睡眠喪失現(xiàn)象普遍存在。在 dFBN 中，Drp1 或 Marf 基因的表達(dá)會(huì)雙向改變睡眠 (圖 7a-c)。
最后，作者提到睡眠可能是為了滿足代謝需求而進(jìn)化的。比如，線粒體融合后，AgRP 神經(jīng)元的電輸出會(huì)增加，從而促進(jìn)體重增加和脂肪沉積；這就像線粒體融合后 dFBN 的電輸出會(huì)增加以促進(jìn)睡眠一樣。刪除 AgRP 神經(jīng)元中的線粒體融合蛋白會(huì)損害食物攝入，就像干擾 dFBN 中的線粒體融合會(huì)損害睡眠誘導(dǎo)一樣。這些相似之處表明，睡眠壓力和饑餓感都源自線粒體，并且電子會(huì)流經(jīng)各自反饋控制器的呼吸鏈，就像沙漏中的沙子一樣，決定何時(shí)需要恢復(fù)平衡。
Section.03
小結(jié)
總之，當(dāng)你遲遲不睡時(shí)，你的線粒體先“破大防”，碎片化線粒體增加，線粒體自噬增強(qiáng)，并頻繁“聯(lián)系”內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，種種損傷只為喚起你的睡眠沖動(dòng)，從而促使睡眠！當(dāng)然，線粒體這些形態(tài)學(xué)變化在恢復(fù)睡眠后是可逆的，并且由于呼吸鏈中電子溢出的增加而減弱 (電子過(guò)剩誘導(dǎo)睡眠)。此外，誘導(dǎo)或抑制 dFBN 中的線粒體裂變或融合，會(huì)以相反的方向改變睡眠和睡眠控制細(xì)胞的電特性：線粒體融合增加睡眠，而碎片化的線粒體減少睡眠。睡眠，像衰老一樣，可能是有氧代謝不可避免的結(jié)果。
產(chǎn)品推薦
Mdivi-1 (HY-15886)
是選擇性的發(fā)動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白 1 (Drp1) 抑制劑。Mdivi-1 是一種有效的線粒體分裂/線粒體自噬 (mitophagy) 抑制劑。
MFI8 (HY-150031)
是一種線粒體融合 (mitochondrial fusion) 的小分子抑制劑。
MitoTracker Deep Red/ MitoTracker Green (HY-D1783)
線粒體紅色/綠色熒光探針。
JC-1 (HY-15534)
是一種廣泛用于檢測(cè)線粒體膜電位的理想熒光探針。正常線粒體內(nèi)，JC-1 聚集在線粒體基質(zhì)中形成聚合物，聚合物發(fā)出強(qiáng)烈的紅色熒光 (Ex=585 nm, Em=590 nm) ；在線粒體膜電位較低時(shí)，JC-1不能聚集在線粒體的基質(zhì)中，產(chǎn)生綠色熒光 (Ex=510 nm, Em=527 nm) 。
TPE-PY (HY-D2639)
是一種針對(duì)線粒體的熒光染料，能特異性靶向線粒體。TPE-PY 主要用于生物成像領(lǐng)域，特別是活細(xì)胞中線粒體的特異性染色研究，有助于觀察線粒體的位置、形態(tài)和數(shù)量。
[1] Ly S, Pack AI, Naidoo N. The neurobiological basis of sleep: Insights from Drosophila. Neurosci Biobehav Rev. 2018 Apr;87:67-86.
[2] 2017年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng), 生命科學(xué), 2017 年 12 月, 第 29 卷 第 12 期, DOI: 10.13376/j.cbls/2017161
[3] Tainton-Heap LAL, et al. A Paradoxical Kind of Sleep in Drosophila melanogaster. Curr Biol. 2021 Feb 8;31(3):578-590.e6.
[4] Kato YS,et al. Interneurons of fan-shaped body promote arousal in Drosophila. PLoS One. 2022 Nov 21;17(11):e0277918.
[5] Kato YS, et al. Interneurons of fan-shaped body promote arousal in Drosophila. PLoS One. 2022 Nov 21;17(11):e0277918.
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