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)的一個關(guān)鍵的前題條件是這些性狀可以被準(zhǔn)確的評定。2睡眠的不同階段睡眠包括非快速動眼睡眠（NREM）和快速動眼睡眠（REM）兩個階段。通常人的夢境都發(fā)生在快速動眼睡眠階段，當(dāng)一個睡眠階段結(jié)束后，就會迎來另一個睡眠階段。在快速眼動階段中，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相似，呈低電壓快波。3“瞌睡蟲”和“無夢者”HiromasaFunato通過對8000多只小鼠進行了持續(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小時以上，比正常情況多3.5小時左右；另一組小鼠的快速動眼睡眠時間減少了44%。后續(xù)的測序工作發(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”的深度睡眠時間更長，但是對于咖啡因的反應(yīng)并無異常，這說明“瞌睡蟲”的促進覺醒的神經(jīng)回路沒有損傷（圖見下頁）。并且“瞌睡蟲”的晝夜節(jié)律沒有出現(xiàn)異常。這說明“瞌睡蟲”的基因突變是通過增加深度睡眠來影響睡眠時間。56“瞌睡蟲”與Sik3基因Sik3是一種在全身表達的蛋白激酶，并且在腦部不止在已知的睡眠調(diào)節(jié)區(qū)域表達。后續(xù)的研究顯示Sik3的一個單核苷酸突變可以使得Sik3基因的第13個蛋白編碼區(qū)域丟失。7“瞌睡蟲”與Sik3基因在后續(xù)的實驗中，F(xiàn)unato通過基因編輯技術(shù)（ZNF和CRISPR-Cas9）再現(xiàn)了“瞌睡蟲”的表型（圖見下頁），進一步證明了新表型與Sik3基因的關(guān)系。89“無夢者”與Nalcn基因與“瞌睡蟲”不同，“無夢者”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)通過正向基因篩選，發(fā)現(xiàn)了兩組小鼠，分別具有睡眠時間增長、快速動眼睡眠階段縮短的特點。這兩種性狀分別與Sik3、Nalcn基因有關(guān)。通過CRISPR-Cas9和ZNF技術(shù)可以重現(xiàn)這兩種突變，進一步證實了性狀與基因的關(guān)系。Sik3基因的突變不會影響小鼠的晝夜節(jié)律，而Nalcn的突變會影響晝夜節(jié)律。12參考文獻[1]HiromasaFunato,ChikaMiyoshi,TomoyukiFujiyama.Forward-geneticsanalysisofsleepinrandomlymutagenizedmice.Nature,

2016,

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