PNAS︱突破!美国科研团队揭示发育中的前脑突触特别容易受到睡眠不足的影响

学术   2024-11-07 00:02   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文︱林  七

责编︱王思珍


睡眠是一个终身的、必要的、保守的过程,支持健康和认知[1]。睡眠行为和功能是由昼夜节律和体内平衡机制控制的,这些机制在一天中适当的时间促进睡眠,并响应清醒的时间[2]然而,睡眠实际上恢复了什么仍然是个谜。虽然清醒/睡眠状态之间的行为转换是由离散的神经元群控制的[3],但对睡眠的需求在整个大脑中广泛表达[4-5]神经元突触已成为睡眠恢复益处的一个主要保守目标,也是睡眠需求积累的一个分布位点[6]


近日,美国北卡罗来纳大学教堂山分校细胞生物学与生理学系Graham Diering研究团队在PNAS上发表了题为“Developing forebrain synapses are uniquely vulnerable to sleep loss”的文章,这篇文章旨在解决睡眠在不同生命阶段是否具有相同的有益功能,特别是在大脑发育过程中睡眠剥夺对突触的影响。通过多组学方法系统分析了睡眠剥夺对不同发育阶段小鼠前额叶突触的影响,揭示了发育中大脑在睡眠剥夺下的独特脆弱性。研究表明,睡眠在健康大脑发育中的角色不可忽视,尤其是年轻个体在遭遇睡眠剥夺时的显著脆弱性,强调了睡眠健康对早期神经发育的重要性。


为了验证睡眠可能在突触成熟和稳定期间介导不同的突触过程,作者首先系统地检测了P21P70年龄段小鼠前脑突触后密度PSD分数中磷酸化-GluA1 S845/S831的清醒/睡眠水平。分别在清醒或睡眠期(ZT 16W 4)或ZT 4S4))4小时内采集样本,发现W4/S4磷酸化-GluA1P21P35完全没有变化,而成人样”GluA1去磷酸化在P42明显出现,并且在P70时一直持续到成年(1AB)。这个直接的数据集揭示了P42是一个重要的过渡年龄,并为在发育和成年之间睡眠期间参与的不同突触过程的存在提供了支持。根据这些结果,并受到睡眠在大脑发育中起重要作用的证据的激励,作者假设发育中的小鼠和成年小鼠对睡眠剥夺SD会表现出不同的后果和独特的脆弱性。为了严格检验这一假设,在本研究的其余部分,作者对三个发育年龄的急性SD的行为和分子后果进行了系统检查:幼年P21P28,青少年P42P49和成年鼠P70100(1C)。发现与成年小鼠相比,发育中的小鼠表现出更高的脆弱性,缺乏对SD的强大适应能力。接着作者使用了一种基于压电的无创家庭笼睡眠记录系统,系统地测量了幼年、青春期和成年小鼠从灯亮起ZT0-4开始的急性4小时SDSD4后的不间断基线睡眠和反弹反应。每天的基线睡眠在每个年龄段都具有高度可比性,在光照阶段预期的夜间模式睡眠量更大(1D)。尽管SD4导致的总睡眠不足水平相当(1E),但在每个年龄段都可以看到不同的SD4恢复反应。与成年人相比,发育年龄的儿童在光期剩余的8小时内表现出更大的睡眠增加,称为光期反弹(1F)。相比之下,成人在SD4即暗相反弹后显示出预期的显著的暗相睡眠增加。引人注目的是,暗相反弹在幼鱼中完全没有,在幼鱼中严重减弱(1 DG)。总的来说,尽管发育年龄表现出少量的光相反弹,但具有强大的暗相反弹的成年小鼠能够在24小时内恢复大部分睡眠损失,而发育小鼠则保留了大部分累积的睡眠缺陷(1H)该部分通过展示不同发育阶段小鼠在急性睡眠剥夺后的行为,揭示了发育中大脑在睡眠剥夺下的独特脆弱性和适应机制的缺乏。

 
1. 幼年、青少年和成年小鼠对 SD 的不同反应


接着作者为了确定SD发育易感的突触机制,使用亚细胞分离和串联-质量-标记定量质谱法测量了SD对发育和成年前脑突触蛋白质组(2)和磷酸化蛋白质组(3)的直接影响。将小鼠维持在12:12 h的光/暗周期中。在睡眠期(S4; ZT 4)、清醒期(W 4; ZT 16)或SD 4ZT 4)后立即(统称为4 h-清醒条件)不受干扰地处死未成年、青少年和成年动物;SD 6ZT 6)后立即在匹配的不受干扰睡眠(S6/ZT 6)和清醒条件(W 6/ZT 18)(6 h-清醒条件)下处死其他成年动物。作者分离出通常被称为“PSD”的前脑突触片段进行分析(2AB)。在每个年龄的前脑突触片段中鉴定并量化了约5000种蛋白质。重要的是,检测到的大多数突触蛋白(4,485)在所有三个年龄中都被鉴定出来(2C),这表明作者能够合理地比较在这里测试的不同年龄的突触对SD的反应。通过对清醒/睡眠/SD条件进行两两比较,作者的实验设计允许鉴定由昼夜节律一天中的时间,睡眠-觉醒警戒状态,对SD的选择性反应或组合调节的突触蛋白,在发育和成年小鼠中,独立于性别(2D)。在幼年W 4/S4比较中,作者观察到55种显著改变的蛋白质,仅占突触蛋白质组的0.9%,表明没有明显的净生化变化,而SD4/ S4SD4/W4比较分别显示76813.0%84214.3%蛋白显著改变(2E),清楚地表明SD对我们的分析容易检测到的幼代突触产生了非常大的统一生化效应。对幼鱼的总体分析显示,在这三种情况下,1152个蛋白质占突触总蛋白质组的19.5%显著改变;其中绝大多数62%SD表现出选择性反应(2I),而对昼夜节律或觉醒-睡眠周期的反应仅为2%,这表明发育中的突触蛋白质组对SD非常敏感。突触反应的一个戏剧性的转变发生在成熟到青春期和成年期。总体而言,在青少年中,确定了79616.4%)种条件之间的调节蛋白。有趣的是,与青少年相比,青少年显示出选择性响应SD的调节蛋白质的比例(22%)的可比较的减少,以及由昼夜节律调节的相当大的组分(34%)的出现,其中只有3%选择性响应唤醒-睡眠周期(图2 FJ。成年-4h的条件显示,总体净效应进一步降低,326种受调节蛋白(5.9%选择性SD反应降低16%(2 GK),这表明成年小鼠与发育中的小鼠相比,对SD4具有相对的弹性。对成年-4h条件的分析进一步揭示了更大比例(21%)受唤醒/睡眠周期的调节(2K)。最后,在成年-6h条件下,确定了77211.7%受调节的蛋白质,其中绝大多数(68%受清醒-睡眠周期的调节,只有2%3%的蛋白质选择性地响应SD或昼夜节律(2 HL)。两种条件都是清醒的,但在相反的时间,几乎没有差异(2H)不同年龄和条件下显著调节的蛋白质的比较显示最小的重叠,表明在每个年龄几乎完全不同的蛋白质组反应,特别是对青少年(2 M-O)说明睡眠在健康大脑发育中起着至关重要的作用。

 
2. 幼年期突触蛋白质组非常容易受到SD的影响,在成年期转变为觉醒/睡眠调节。


从幼年鼠中鉴定出1,786个受调节的突触磷酸化肽,占磷酸蛋白质组的11.7%,其中大多数对SD有选择性反应,而只有5%对昼夜节律有反应(3AE)。在青少年中,发现在每个比较中观察到磷蛋白质组的惊人动态,其幅度远远大于其他年龄组。总共有5287个磷酸肽33.4%被发现受到显著调节,其中很大一部分46%SD有选择性反应,13%受昼夜节律调节(3BF)。成人- 4h条件显示4912.6%磷酸肽的适度总体反应(3 CG)。对成人- 6h条件的分析显示1,845个受调节的磷酸肽11.4%,其中大多数51%对觉醒-睡眠周期表现出选择性反应,只有7%SD表现出选择性反应(3 DH)。与突触蛋白质组分析的结论一致(2),受调节的磷酸肽在年龄和条件之间显示出最小的重叠,表明每个年龄对SD有不同的磷酸化反应(3 I-KSI附录,图S3)因此,SD驱动了以磷酸化为主的反应,意味着睡眠剥夺会影响蛋白质的磷酸化过程。

 
3. 发育中的突触磷蛋白组对SD非常脆弱


PNNsormation of perineuronal nets指的是神经周围网,它的形成被认为是大脑发育的关键方面之一,因为它们在神经网络的积极塑造中起着重要作用。SD驱动了数十种与轴突生长、突触发生、髓鞘形成和神经系统发育相关的突触蛋白的上调神经周围网络(PNNs)的形成(4A4)。这些通路代表了幼年时期大脑发育积极塑造神经元网络的关键方面。此外,仅在幼年而非较老年群体中,睡眠剥夺(SD)促进了与兴奋性突触加强和Hebbian长时程增强(LTP)相关的突触蛋白的上调,包括DLG4PSD95)和显著的兴奋性突触支架CaMKIIαAMPAN甲基-D-天冬氨酸(NMDA)型谷氨酸受体及其辅助亚单位(图4A。因此,使用KSEA进行的激酶活性预测表明,仅在幼鼠而非较老小鼠中的SD驱动CaMKIIα/β/γ的激活(4B)Ca++活化激酶众所周知在Hebbian长期增强LTP)中具有突出功能。这些结果表明,幼年期的SD会导致神经元活动增强,从而异常刺激突触生长和Hebbian增强,进一步支持了在幼年期觉醒-睡眠周期在形成突触成熟过程中的重要作用。通过western blot,作者证实了SD在幼年中,而不是在青少年或成年中,驱动PSD相关的Hapln1Arc的上调(4 CD)。尽管SD在所有三个年龄段都诱导了Arc mRNA的转录,但蛋白质组学和western blot数据显示,在青少年SD调节组中,高置信度ASD(自闭症谱系障碍)风险基因的上调蛋白显著富集达到16%(4 EF)。早期生活睡眠中断已被证明会导致持久的ASD相关行为变化, 在数百个ASD风险基因中,由SFARISimons Foundation Autism Research Initiative)编制。研究显示在SD调节组中,SFARI基因富集在下调的蛋白质中(4F)。这些发现表明,支持突触成熟的睡眠发育特异性功能以年龄依赖的方式聚集在ASD遗传风险的节点上(4G)。将青少年SD反应组与一个单独的数据集,即传播和新生关联研究进行比较,进一步证实了ASD风险基因的富集,但没有证实一般的发育迟缓(SI附录,图S7),这表明青少年SD反应与ASD风险之间存在特定的相互作用。相比之下,成人突触蛋白质组(6小时条件)显示了醒-睡调节组的压倒性代表性(2L),显示SFARI基因没有富集(4F),与成熟后SD易感性降低(4G)一致。总之,行为、分子、前组学和磷蛋白质组学分析(1-3)都清楚地表明,幼年、青春期和成年小鼠对SD的不同反应,表明睡眠的独特功能,以及在整个发育过程中对SD的相关脆弱性。这些发现有助于理解睡眠剥夺如何影响大脑发育,特别是在自闭症谱系障碍(ASD)的背景下。

 
4.青少年SD影响突触成熟的关键方面,集中在ASD风险的节点上


文章结论与讨论,启发与展望
本研究通过系统的多组学分析和行为测量,揭示了睡眠在健康大脑发育中起着至关重要的作用。并且发育中的大脑对睡眠剥夺特别敏感,睡眠剥夺会对关键的大脑生长过程(如突触生成)产生即时影响,并驱动与ASD遗传风险节点重叠的生物化学变化。但是成熟的大脑则表现出更强的适应能力,能够通过多种生理和分子机制恢复睡眠剥夺的影响。尽管发现了睡眠剥夺对突触功能和ASD风险基因的影响,但具体的分子机制和信号通路仍需进一步研究。未来的研究可以更深入地探讨这些机制。

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39441640/


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参考文献
[1]S. Diekelmann, J. Born, The memory function of sleep. Nat. Rev. Neurosci. 11, 114–126 (2010), 10.1038/nrn2762.

[2]P. Franken, D. J. Dijk, Sleep and circadian rhythmicity as entangled processes serving homeostasis. Nat. Rev. Neurosci. 25, 43–59 (2024), 10.1038/s41583-023-00764-z.

[3]T. E. Scammell, E. Arrigoni, J. O. Lipton, Neural circuitry of wakefulness and sleep. Neuron 93, 747–765 (2017), 10.1016/j.neuron.2017.01.014.

[4]J. T. Weiss, M. Z. Blundell, P. Singh, J. M. Donlea, Sleep deprivation drives brain-w ide changes in cholinergic presynapse abundance in Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121, e2312664121 (2024), 10.1073/pnas.2312664121.

[5]Z. Wang et al., Quantitative phosphoproteomic analysis of the molecular substrates of sleep need. Nature 558, 435–439 (2018), 10.1038/s41586-018-0218-8.

[6]G. Tononi, C. Cirelli, Sleep and the price of plasticity: From synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron 81, 12–34 (2014), 10.1016/j. neuron.2013.12.025.
编辑︱王思珍
本文完



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