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正向基因学研究任意突变下小鼠的睡眠变化讲述
Forward-genetics analysis of sleep inrandomly mutagenized mice
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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。
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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。
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“瞌睡虫”和“无梦者”
Hiromasa Funato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。
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“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。
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“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。
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“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。
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“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。
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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。
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参考文献
[1] Hiromasa Funato, Chika Miyoshi, Tomoyuki Fujiyama. Forward-genetics analysis of sleep inrandomly mutagenized mice.Nature,?2016,?539(7629).
[2] Xu, M. et al. Basal forebrain circuit for sleep-wake control. Nat. Neurosci. 18, 1641–1647 (2015).
[3] Saper, C. B., Scammell, T. E. Lu, J. Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437, 1257–1263 (2005).
[4] Mashiko, D. et al. Generation of mutant mice by pronuclear injection of circular plasmid expressing Cas9 and single guided RNA. Sci. Rep. 3, 3355 (2013).
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