Гены сна и сновидений

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.

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.