Гены сна и сновидений

Наталья Резник
Ната­лья Рез­ник

Сон необ­хо­дим всем живот­ным. Спят и птич­ки в саду, и рыб­ки в пру­ду, и мыш­ка за печ­кой. Имен­но мыши ста­ли геро­я­ми экс­пе­ри­мен­та, про­ве­ден­но­го спе­ци­а­ли­ста­ми Цукуб­ско­го уни­вер­си­те­та (Япо­ния) при уча­стии япон­ских и аме­ри­кан­ских иссле­до­ва­те­лей из дру­гих науч­ных цен­тров [1]. Рабо­той руко­во­ди­ли Хиро­ма­са Фуна­то (Hiromasa Funato) и Маса­си Яна­ги­са­ва (Masashi Yanagisawa). Иссле­до­ва­те­лей инте­ре­со­ва­ли моле­ку­ляр­ные и кле­точ­ные меха­низ­мы, регу­ли­ру­ю­щие состо­я­ния сна и бодр­ство­ва­ния. Потреб­но­сти во сне у раз­ных людей (и живот­ных) раз­ные: кому-то доста­точ­но немно­гих часов, дру­гие спят по пол­дня. И у этих раз­ли­чий долж­на быть гене­ти­че­ская осно­ва.

Для реше­ния постав­лен­ной зада­чи уче­ные вос­поль­зо­ва­лись мето­да­ми пря­мой гене­ти­ки. При таком под­хо­де нуж­но сна­ча­ла най­ти осо­бей, обла­да­ю­щих опре­де­лен­ным при­зна­ком, а затем опре­де­лить гены, отве­ча­ю­щие за этот при­знак. Ины­ми сло­ва­ми, иссле­до­ва­те­лям пред­сто­я­ло отыс­кать живот­ных, кото­рые отли­ча­ют­ся от собра­тьев по виду осо­бен­но­стя­ми сна. Пара­мет­ры сна и бодр­ство­ва­ния у мле­ко­пи­та­ю­щих изу­че­ны доста­точ­но подроб­но, а мыши — одни из самых иссле­до­ван­ных в этом отно­ше­нии живот­ных. Сон пред­став­ля­ет собой чере­до­ва­ние двух основ­ных фаз: глу­бо­ко­го, или мед­лен­но­го, сна и быст­ро­го.

Фено­ти­пи­ро­вать эти ста­дии мож­но с помо­щью элек­тро­эн­це­фа­ло­грам­мы (ЭЭГ) и элек­тро­мио­грам­мы (ЭМГ). Один из наи­бо­лее харак­тер­ных при­зна­ков мед­лен­но­го сна — пре­об­ла­да­ние самых мед­лен­ных волн моз­го­вой актив­но­сти, дель­та-волн, с часто­той 1–4 Гц. Во вре­мя быст­ро­го сна пре­об­ла­да­ют тета­вол­ны с часто­той 6–9 Гц в соче­та­нии с мышеч­ной ато­ни­ей (поте­рей нор­маль­но­го тону­са). Сле­до­ва­тель­но, для фено­ти­пи­ро­ва­ния сна нуж­но было запи­сать ЭЭГ и ЭМГ мышей в состо­я­нии сна и бодр­ство­ва­ния и коли­че­ствен­но про­ана­ли­зи­ро­вать полу­чен­ные дан­ные.

Уче­ные нача­ли с того, что вве­ли сам­цам мышей этил­нит­ро­зо­мо­че­ви­ну, кото­рая вызы­ва­ет слу­чай­ные мута­ции. Затем спер­мой этих сам­цов in vitro опло­до­тво­ря­ли яйце­клет­ки необ­ра­бо­тан­ных самок и обсле­до­ва­ли 8 тыс. потом­ков, сре­ди кото­рых наде­я­лись най­ти мутан­тов с изме­не­ни­я­ми сон­но­го пове­де­ния. Для это­го живот­ным, достиг­шим 12 недель, вжив­ля­ли элек­тро­ды, поз­во­ля­ю­щие реги­стри­ро­вать элек­тро­фи­зио­ло­ги­че­скую актив­ность моз­га и мышц, и в тече­ние двух после­до­ва­тель­ных дней сни­ма­ли пока­за­ния.

Такой ана­лиз поз­во­ля­ет заме­тить толь­ко доми­нант­ные мута­ции, одна­ко уче­ным повез­ло. Сре­ди тысяч мышей им уда­лось отыс­кать пять живот­ных, потом­ков одно­го сам­ца, кото­рые спа­ли око­ло 15 часов в день, более чем на 3,5 часа доль­ше сред­не­су­точ­ной мыши­ной нор­мы. Эту мута­цию назва­ли Sleepy (Slp), то есть «сон­ный». Фено­тип мутант­ных сам­цов и самок оди­на­ков. Сон удли­ня­ет­ся за счет мед­лен­ной фазы, кото­рая у Sleepy доль­ше и глуб­же, чем у обыч­ных живот­ных.

Иссле­до­ва­те­ли выяс­ни­ли, что «сон­ная» мута­ция про­изо­шла в гене Sik3, актив­ность кото­ро­го рань­ше не свя­зы­ва­ли со сном. Цир­кад­ный ритм он не регу­ли­ру­ет. Этот ген, коди­ру­ю­щий фер­мент про­те­ин-кина­зу, экс­прес­си­ру­ет­ся во всех клет­ках орга­низ­ма. Одно­нук­лео­тид­ная мута­ция пор­тит сайт сплай­син­га, и белок полу­ча­ет­ся коро­че на 52 ами­но­кис­ло­ты. Иссле­до­ва­те­ли полу­чи­ли вто­рое поко­ле­ние мутант­ных мышей и убе­ди­лись, что при­знак насле­ду­ет­ся.

Мыши могут доль­ше спать из-за того, что у них нару­ше­но пове­де­ние бодр­ство­ва­ния, либо из-за повы­шен­ной потреб­но­сти во сне. Уче­ные убе­ди­лись, что бодр­ство­ва­ние у Sleepy в пол­ном поряд­ке. В нор­ме изме­не­ние обста­нов­ки обыч­но моби­ли­зу­ет мышей и побуж­да­ет их к актив­но­сти. Когда Sleepy пере­са­жи­ва­ли в незна­ко­мую клет­ку, они бодр­ство­ва­ли замет­но доль­ше. На вве­де­ние сти­му­ли­ру­ю­щих пре­па­ра­тов кофе­и­на и мода­фи­ни­ла они тоже реа­ги­ро­ва­ли как поло­же­но.

Оста­ет­ся пред­по­ло­жить, что мутант­ные мыши про­сто нуж­да­ют­ся в более про­дол­жи­тель­ном сне. Эту потреб­ность, по-види­мо­му, дик­ту­ет ген Sik3. Актив­ность фер­мен­та изме­ня­ет­ся при депри­ва­ции сна (клет­ку с мыша­ми тряс­ли несколь­ко часов, не давая живот­ным покоя) и зави­сит от коли­че­ства мутант­ных алле­лей Sik3; у живот­ных пер­во­го поко­ле­ния он один, у неко­то­рых мутан­тов вто­ро­го поко­ле­ния — два. А когда Sleepy нако­нец поз­во­ля­ют заснуть, плот­ность дель­та-волн во вре­мя мед­лен­ной фазы у них выше, чем у обыч­ных мышей.

Ген Sik3 очень кон­сер­ва­ти­вен у позво­ноч­ных; у бес­по­зво­ноч­ных живот­ных есть гены, выпол­ня­ю­щие те же функ­ции. Ана­ло­гич­ные мута­ции в этих генах уве­ли­чи­ва­ют вре­мя сна у взрос­лых дро­зо­фил и сон­но­по­доб­ное состо­я­ние у нема­тод C. elegans.

Дру­гая мута­ция, обна­ру­жен­ная япон­ски­ми иссле­до­ва­те­ля­ми, сокра­ща­ет пери­од быст­ро­го сна. Счи­та­ет­ся, что в этой фазе спя­щий видит сны, поэто­му мута­цию назва­ли Dreamless (Drl), то есть «лишен­ный сно­ви­де­ний». Назва­ние не вполне точ­ное, посколь­ку фаза корот­ко­го сна у мутан­тов сохра­ни­лась, хотя и в реду­ци­ро­ван­ном виде, к тому же неиз­вест­но, что и когда снит­ся мышам.

При Dreamless быст­рый сон кра­ток и неста­би­лен. Опре­де­ля­ет этот фено­тип одно­нук­лео­тид­ная мута­ция в гене Nalcn. У гете­ро­зи­гот по этой мута­ции общее вре­мя быст­ро­го сна сокра­ща­ет­ся в сред­нем с 75 до 40 минут в сут­ки, а дли­тель­ность одно­го эпи­зо­да — с 1,5 до 0,9 мину­ты. Ген коди­ру­ет кати­он­ные кана­лы в мем­бра­нах ней­ро­нов и кон­тро­ли­ру­ет их воз­бу­ди­мость. Он актив­но рабо­та­ет в несколь­ких ядрах ство­ла моз­га, участ­ву­ю­щих в регу­ля­ции быст­ро­го сна, отве­ча­ет за дли­тель­ность и окон­ча­ние его эпи­зо­дов. Мута­ция Nalcn повы­ша­ет воз­бу­ди­мость ней­ро­нов.

Быст­рый сон, в отли­чие от мед­лен­но­го, нахо­дит­ся под стро­гим цир­кад­ным кон­тро­лем. Мута­ция Dreamless не вли­я­ет на про­дол­жи­тель­ность цир­кад­но­го пери­о­да, одна­ко, если посто­ян­но дер­жать мышей в тем­но­те, раз­ни­ца в актив­но­сти во вре­мя отды­ха и бодр­ство­ва­ния у мутан­тов суще­ствен­но мень­ше, чем у живот­ных дико­го типа. Вли­я­ние Dreamless на дли­тель­ность корот­ко­го сна так­же замет­нее в тем­но­те.

У дро­зо­фи­лы есть ген, выпол­ня­ю­щий функ­цию Nalcn, у мутант­ных мух нару­ше­но цир­кад­ное пове­де­ние.

Поиск сонных мутаций (Dijk, Winsky-Sommerer, 2016)
Поиск сон­ных мута­ций (Dijk, Winsky-Sommerer, 2016)

Эту рабо­ту про­ком­мен­ти­ро­ва­ли дирек­тор Сур­рей­ско­го цен­тра иссле­до­ва­ния сна Сур­рей­ско­го уни­вер­си­те­та про­фес­сор Дерк-Ян Дейк (Derk-Jan Dijk) и его сотруд­ни­ца док­тор Рафа­эл­ла Вин­ски-Сомме­рер (Raphaëlle Winsky-Sommerer) [2]. Уче­ные отме­ча­ют, что сон име­ет огром­ное вли­я­ние на мно­гие аспек­ты жиз­ни, в том чис­ле обу­че­ние, память и мета­бо­лизм, и, зная мута­ции, вли­я­ю­щие на сон, мож­но попро­бо­вать изу­чить эти меха­низ­мы. В част­но­сти, при­сту­пить к иссле­до­ва­нию вли­я­ния Sleepy и Dreamless мож­но немед­лен­но.

У этих резуль­та­тов есть и кли­ни­че­ское зна­че­ние. Самая оче­вид­ная зада­ча — про­ве­рить, участ­ву­ет ли мута­ция в Sik3 в раз­ви­тии идио­па­ти­че­ской гипер­со­мнии. Люди, стра­да­ю­щие этим забо­ле­ва­ни­ем, посто­ян­но испы­ты­ва­ют жела­ние спать и спят очень дол­го. Мож­но так­же про­ве­рить, игра­ет ли роль мутант­ный Nalcn в воз­раст­ном изме­не­нии когни­тив­ных спо­соб­но­стей, кото­рым неред­ко пред­ше­ству­ет сокра­ще­ние фазы быст­ро­го сна.

При­ме­ча­тель­но, что япон­ские иссле­до­ва­те­ли не нашли мышей, кото­рые совсем не спят. Воз­мож­но, сон кон­тро­ли­ру­ют мно­же­ство раз­ных генов, и одной мута­ци­ей живот­ное отды­ха не лишить. Или же бес­сон­ные мыши нежиз­не­спо­соб­ны, и мута­ции, вызы­ва­ю­щие пол­ную поте­рю сна, леталь­ны.

Ната­лья Рез­ник

1. Funato H. et al., Forward-genetics analysis of sleep in randomly mutagenized mice /​/​ Nature, 2016. 539, 378–383, doi:10.1038/nature20142.

2. Dijk D.-J., Winsky-Sommerer R. Sleepy and dreamless mutant mice /​/​ 2016. 539. 364–365.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
1 Цепочка комментария
2 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
adminМихаилСов ОК Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Сов ОК
Сов ОК

Автор пишет: «Сон необ­хо­дим всем живот­ным.» К живот­ным отно­сят­ся и весь­ма при­ми­тив­ные орга­низ­мы: раз­но­об­раз­ные чер­ви, кишеч­но­по­лост­ные и т.п., даже одно­кле­точ­ные. Какой сон там может быть?

Михаил
Михаил

Про чер­вей не знаю, а у дро­зо­фил сон точ­но есть.

admin
Редактор
admin

Было наме­ре­ние посо­ве­то­вать­ся с авто­ром и как-то под­кор­рек­ти­ро­вать фра­зу, но как-то забы­то в про­цес­се… Но по сути там понят­но, клас­си­фи­ка­ции стро­ят по-раз­но­му, бак­те­рии в основ­ном отде­ля­ют от «живот­ных», насе­ко­мые же, кажет­ся, спят. Но всё рав­но в каче­стве трю­из­ма надо было бы писать что-то более бес­спор­ное.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: