正向基因学研究任意突变下小鼠的睡眠变化

Forward-geneticsanalysisofsleepin

randomlymutagenizedmice1正向基因学与反向基因学传统的遗传学手段大致可以分为正向基因学和反向基因学两类。正向基因学从表型变化研究基因变化，而反向遗传学从基因变化研究表型变化。正向基因筛选是发现和表征前所未有的基因作用的黄金标准，但这一技术的一个关键的前题条件是这些性状可以被准确的评定。2睡眠的不同阶段睡眠包括非快速动眼睡眠（NREM）和快速动眼睡眠（REM）两个阶段。通常人的梦境都发生在快速动眼睡眠阶段，当一个睡眠阶段结束后，就会迎来另一个睡眠阶段。在快速眼动阶段中，脑血流及代谢增加，引起心率加快，呼吸快而不规则，血压稍上升，体温升高，脑电波状况与清醒时相似，呈低电压快波。3“瞌睡虫”和“无梦者”HiromasaFunato通过对8000多只小鼠进行了持续两天的睡眠规律记录，筛选出了两组特殊的小鼠，其中一组平均每天睡15小时以上，比正常情况多3.5小时左右；另一组小鼠的快速动眼睡眠时间减少了44%。后续的测序工作发现这两组小鼠的突变分别影响了Silk3和Nalcn基因。4“瞌睡虫”与Sik3基因研究发现“瞌睡虫”的深度睡眠时间更长，但是对于咖啡因的反应并无异常，这说明“瞌睡虫”的促进觉醒的神经回路没有损伤（图见下页）。并且“瞌睡虫”的昼夜节律没有出现异常。这说明“瞌睡虫”的基因突变是通过增加深度睡眠来影响睡眠时间。56“瞌睡虫”与Sik3基因Sik3是一种在全身表达的蛋白激酶，并且在脑部不止在已知的睡眠调节区域表达。后续的研究显示Sik3的一个单核苷酸突变可以使得Sik3基因的第13个蛋白编码区域丢失。7“瞌睡虫”与Sik3基因在后续的实验中，Funato通过基因编辑技术（ZNF和CRISPR-Cas9）再现了“瞌睡虫”的表型（图见下页），进一步证明了新表型与Sik3基因的关系。89“无梦者”与Nalcn基因与“瞌睡虫”不同，“无梦者”的昼夜节律表现型出现了改变，这一现象表明快速动眼睡眠受到昼夜节律的调控，而深度睡眠可能不受昼夜节律调控。由于快速眼动睡眠减少是人类认知功能减退的先兆之一，因此研究Nalcn基因的突变可能有助于治疗认知功能减退。1011总结通过正向基因筛选，发现了两组小鼠，分别具有睡眠时间增长、快速动眼睡眠阶段缩短的特点。这两种性状分别与Sik3、Nalcn基因有关。通过CRISPR-Cas9和ZNF技术可以重现这两种突变，进一步证实了性状与基因的关系。Sik3基因的突变不会影响小鼠的昼夜节律，而Nalcn的突变会影响昼夜节律。12参考文献[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