综述：关于一只蠕虫的睡前故事

《Somnologie》：Bedtime story about a worm

　　摘要：睡眠对我们的健康至关重要，而睡眠不足会带来有害的生理和心理后果。尽管睡眠的重要性不言而喻，但将睡眠与其所有重要功能联系起来的分子和神经机制在人类身上仍知之甚少，因为这些机制涉及高度复杂且相互交织的分子信号通路。幸运的是，睡眠是整个动物界中普遍存在的行为，其控制机制也具有保守性。因此，我们可以在简单的模式生物中识别出基本原理，并随后将其应用到人类身上进行更有针对性的研究。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）由于其小型且完全绘制的神经系统以及由其研究社区构建的广泛研究基础设施，已成为揭示睡眠调节基本原理的强大模型生物。本文总结了秀丽隐杆线虫睡眠研究对理解睡眠控制的分子机制的一些关键贡献，强调了具有生物医学意义的保守通路以及潜在的概念性联系，这些联系可能有助于改善人类的睡眠和幸福感。

睡眠对我们的健康至关重要，而睡眠不足会带来有害的生理和心理后果。尽管睡眠的重要性不言而喻，但将睡眠与其所有重要功能联系起来的分子和神经机制在人类身上仍知之甚少，因为这些机制涉及高度复杂且相互交织的分子信号通路。幸运的是，睡眠是整个动物界中普遍存在的行为，其控制机制也具有保守性。因此，我们可以在简单的模式生物中识别出基本原理，并随后将其应用到人类身上进行更有针对性的研究。秀丽隐杆线虫由于其小型且完全绘制的神经系统以及由其研究社区构建的广泛研究基础设施，已成为揭示睡眠调节基本原理的强大模型生物。本文总结了秀丽隐杆线虫睡眠研究对理解睡眠控制的分子机制的一些关键贡献，强调了具有生物医学意义的保守通路以及潜在的概念性联系，这些联系可能有助于改善人类的睡眠和幸福感。睡眠对我们的健康至关重要，然而其分子调控机制在人类身上仍知之甚少。由于睡眠在不同物种中是保守的，线虫秀丽隐杆线虫为揭示基本机制提供了一个强大的模型。凭借其小型神经系统以及丰富的遗传工具，它使得能够精确解析与压力、代谢和免疫相关的保守通路与睡眠调节之间的联系。从这些保守机制中获得的见解最终可能指导我们理解和改善人类睡眠的方法。

研究人类睡眠的分子机制具有挑战性。睡眠对人类的健康和幸福感至关重要。我们近三分之一的生命都在睡眠中度过——这一比例凸显了这种行为状态与我们的生理机能的紧密联系。睡眠支持免疫功能、能量保存以及学习或记忆巩固等认知过程。这些生理功能背后存在着复杂的分子和细胞机制网络，而这一调控架构的破坏可能会带来严重的不良后果。因此，解码这些机制既具有挑战性，同时又不可或缺。由于这些机制的复杂性，单个通路本身就难以解析。此外，伦理考虑显然限制了在人类和脊椎动物身上改变睡眠的实验研究，因为这样的操作不可避免地会导致生理上的不适。然而，只有通过理解复杂的睡眠调控机制，我们才能确定潜在的分子靶点，并最终开发出治疗睡眠障碍及相关健康状况的有效策略。

睡眠是一种在动物界中普遍存在的生理状态。由于许多重要的人类睡眠功能也适用于其他物种，因此睡眠并不只限于人类或脊椎动物也就不足为奇了。睡眠是通过行为标准来定义的，例如身体姿势的放松、行为上的静止、觉醒阈值的提高以及对缺乏睡眠的稳态反应。通过应用这些行为标准，已经证明所有经过测试的具有神经系统的动物都会睡觉，甚至包括水母这样的基础后生动物。

秀丽隐杆线虫是最适合在分子水平上进行研究的模型生物之一。自1974年Sydney Brenner提出它作为合适的研究对象以来，秀丽隐杆线虫研究社区已经建立了一个卓越的开放获取研究生态系统，其中包括许多有用的工具。其中就包括WormBase基因数据库（包含所有已知的等位基因及其表型）、WormBook（关于秀丽隐杆线虫生物学的在线综述）以及WormAtlas（包含交互式解剖3D模型“可滑动蠕虫”）。秀丽隐杆线虫的基因组已经被完全测序，大约83%的蛋白质编码基因在人类中有同源物。已经为许多基因创建了携带突变、荧光报告基因和/或细胞特异性敲除或恢复的菌株，这些菌株可以从秀丽隐杆线虫遗传中心获得的庞大菌库中获取。秀丽隐杆线虫可以在含有大肠杆菌作为食物的琼脂板上轻松且廉价地培养，其长度仅约为1毫米。从卵到可繁殖的成虫的发育时间仅需约3天。因此，可以通过孟德尔杂交快速且容易地结合不同的变体。由于这种线虫是透明的，因此可以方便地使用光学方法和功能成像技术进行活体观察。

秀丽隐杆线虫最显著的特点是它的细胞发育是确定性的，也就是说，每个个体的细胞发育模式完全相同，从卵到成虫都遵循相同的路径，这几乎消除了个体间的差异，从而促进了科学研究的可重复性和实验设计的便利性。该模型的完整细胞谱系已知，所有神经元都已在连接组中进行了绘制。为了研究这些神经元的动态和信号机制，可以充分利用这一模型的全部潜力：每个雌雄同体的神经系统由确切的302个神经元组成。相比之下，人脑包含约1000亿个神经元，小鼠大脑包含约1亿个神经元，甚至果蝇的大脑也含有超过10万个神经元。因此，可以在秀丽隐杆线虫中进行单细胞水平的精确研究，这在已建立的睡眠研究模型生物中是非常罕见的优势。

秀丽隐杆线的睡眠特征行为和神经模式是保守的。秀丽隐杆线的睡眠满足所有定义睡眠的行为标准（将图1a中清醒时的活动蠕虫与图1b中身体姿势放松的睡眠蠕虫进行比较）。在秀丽隐杆线虫中观察到的睡眠反应多种触发因素，包括细胞应激、损伤、饥饿和周期性蜕皮应激。后一种情况下的睡眠是由一个振荡的遗传节律器协调的，该节律器与调控人类昼夜节律的机制同源。

人类睡眠通常通过脑电图（EEG）记录来进行评估，EEG能够捕捉快速眼动（REM）睡眠期间脱同步的神经元放电产生的局部场电位以及非REM睡眠期间同步的神经元抑制状态。在清醒状态下，α波和β波占主导地位，显示出广泛的异步神经元活动模式。相比之下，在非REM睡眠期间，慢δ波占主导地位，显示出更加同步且总体上降低的神经元活动。然而，并非所有神经元在非REM睡眠期间都会活动减弱。例如，在下丘脑前部、脑干和皮层中的神经元在睡眠期间仍然活跃并促进睡眠。

由于许多重要的人类睡眠功能也适用于其他动物物种，因此睡眠不仅限于人类或脊椎动物并不令人惊讶。秀丽隐杆线虫在分子水平上易于研究，是迄今为止最被全面研究的模型生物之一。自1974年Sydney Brenner将其作为合适的研究对象以来，秀丽隐杆线虫研究社区已经建立了一个卓越的开放获取研究生态系统，包括许多有用的工具。这些工具包括WormBase基因数据库（包含所有已知的等位基因及其表型）、WormBook（关于秀丽隐杆线虫生物学的在线综述）以及WormAtlas（包含交互式解剖3D模型“可滑动蠕虫”）。秀丽隐杆线虫的基因组已经被完全测序，大约83%的蛋白质编码基因在人类中有同源物。已经为许多基因创建了携带突变、荧光报告基因和/或细胞特异性敲除或恢复的菌株，这些菌株可以从秀丽隐杆线虫遗传中心获得的庞大菌库中获取。秀丽隐杆线虫可以在含有大肠杆菌作为食物的琼脂板上轻松且廉价地培养，其长度仅约为1毫米。从卵到可繁殖成虫的发育时间仅需约3天。因此，可以通过孟德尔杂交快速且容易地结合不同的变体。由于这种线虫是透明的，因此可以方便地使用光学方法和功能成像技术进行活体观察。

秀丽隐杆线虫的一个最显著的特点是它的细胞发育是确定性的，从卵到成虫的过程完全相同，这几乎消除了个体间的差异，从而促进了科学研究的可重复性和实验设计的便利性。已知完整的细胞谱系，所有神经元都已在连接组中进行了绘制。为了研究这些神经元的动态和信号机制，可以充分利用这一模型的全部潜力：每个雌雄同体的神经系统由确切的302个神经元组成。相比之下，人脑包含约1000亿个神经元，小鼠大脑包含约1亿个神经元，甚至果蝇的大脑也包含超过10万个神经元。因此，可以在秀丽隐杆线虫中进行单细胞水平的精确研究，这在已建立的睡眠研究模型生物中是非常罕见的优势。

秀丽隐杆线的睡眠满足了定义睡眠的所有上述行为标准（将图1a中清醒时的活动蠕虫与图1b中身体姿势放松的睡眠蠕虫进行比较）。在秀丽隐杆线虫中观察到的睡眠反应多种触发因素，包括细胞应激、损伤、饥饿和周期性蜕皮应激。后一种情况下的睡眠由一个振荡的遗传节律器协调，该节律器与调控人类昼夜节律的机制同源。

人类睡眠通常使用脑电图（EEG）记录进行评估，EEG可以捕捉快速眼动（REM）睡眠期间脱同步的神经元放电产生的局部场电位以及非REM睡眠期间同步的神经元抑制状态。在清醒状态下，α波和β波占主导地位，显示出广泛异步的神经元活动模式。相比之下，在非REM睡眠期间，慢δ波占主导地位，显示出更加同步且整体上降低的神经元活动。然而，并非所有神经元在非REM睡眠期间都会活动减弱。例如，在下丘脑前部、脑干和皮层中的神经元在睡眠期间仍然活跃并促进睡眠。由于线虫的体积太小，显然无法使用EEG测量它们的神经活动。那么，我们如何了解线虫在睡眠期间的神经系统发生了什么？

秀丽隐杆线虫神经元的活动依赖于Ca2+离子介导的再生性或动作电位。像绿色荧光蛋白GCaMP这样的基因编码荧光指示剂因此允许在活体中轻松可视化细胞内钙动态，提供了可靠的神经元活动代理（图1c）。通过Ca2+成像，可以显示在秀丽隐杆线虫的睡眠期间，神经元活动减少了75%，这与人类非REM睡眠期间的动态相似。

在秀丽隐杆线虫中，一些促进睡眠的神经元也控制着睡眠。与人类的细胞动态类似，并非所有神经元在睡眠期间都会降低活动。例如，头部中间神经元RIS在睡眠期间会变得活跃。RIS具有GABA能和肽能特性，在睡眠期间保持活跃，当线虫醒来时，RIS会关闭。光遗传学激活RIS可以诱导睡眠，而唤醒刺激可以抑制RIS。因此，RIS显示出与人类下丘脑中促进睡眠的神经元类似的特性。

在秀丽隐杆线虫中解析RIS功能的研究表明，这种神经元通过RFamide神经肽FLP-11来促进睡眠，该神经肽通过Gi/o受体DMSR-1来抑制胆碱能神经元的活动。由于上脑干中的胆碱能神经元在人类中促进清醒，这种机制可能是保守的。另一种促进睡眠的神经元是头部感觉神经元ALA。它也是GABA能的，通常在睡眠前不久开始活跃，并分泌促进睡眠的神经肽。

在秀丽隐杆线虫中鉴定出的睡眠基因是否具有保守作用？RIS和ALA通过不同的、很大程度上保守的分子信号机制来调控睡眠。因此，秀丽隐杆线虫的睡眠研究可以让我们了解跨物种（包括人类）调控睡眠的分子通路。下面将讨论一些例子及其潜在的转化应用。

AP2转录因子在多种物种中控制睡眠。在人类中，AP2转录因子功能的杂合子丧失会导致Char综合征，这与自我报告的睡眠障碍有关。然而，到目前为止，尚未在人类中建立AP2转录因子活动与睡眠之间的因果关系，其背后的机制也不清楚。然而，在秀丽隐杆线虫中，因果关系和分子机制已经得到阐明：AP2转录因子APTF-1对于在RIS中表达促进睡眠的肽FLP-11是必需的。aptf-1的基因敲除会完全消除大多数类型的睡眠。这些发现促使人们尝试将这些知识应用到大脑更大的动物身上。事实上，随后证明AP2转录因子在果蝇和小鼠中也调节睡眠。

这些发现表明，从线虫到啮齿动物的进化过程中，AP2依赖的睡眠调控是保守的，这表明它也可能适用于人类。如果是这样，从秀丽隐杆线虫获得的机制见解应该有助于理解和最终治疗与Char综合征相关的睡眠障碍。更广泛地说，从秀丽隐杆线虫到小鼠的研究表明，至少部分地，线虫的睡眠和哺乳动物的睡眠受同源基因调控因子的控制，这强调了来自简单模型生物的见解的转化相关性。

EGF受体信号传导和盐诱导激酶3将细胞应激、代谢和睡眠联系起来。表皮生长因子受体（EGFR）信号传导已被证明是睡眠的一个保守调控因子，特别是在疾病和生理应激的背景下。在小鼠研究中已经证明了EGFR在睡眠调节和运动活动中的作用。在人类中，EGFR信号通路中的常见变异与睡眠的数量和质量变化有关。然而，EGFR如何调节哺乳动物睡眠的精确分子机制仍然尚未解决。在秀丽隐杆线虫中，描述了一个涉及EGFR的分子通路，该通路通过受损的外周组织向神经系统发出信号以诱导睡眠：在细胞应激（如热休克）后，秀丽隐杆线的EGF配体SISS-1从受影响的组织中释放，并向ALA和RIS中表达的EGFR受体LET-23发出信号。这条通路诱导了保护性睡眠，从而提高了生存率。尽管EGFR诱导睡眠的临床应用潜力目前仍具有推测性，但其进化上的保守性突显了这一途径作为动物将周围压力感知与增加保护性睡眠联系起来的基本机制。此外，对秀丽隐杆线虫（C. elegans）的研究表明，EGF信号传导不仅可能整合压力信号，还可能整合代谢线索来调节睡眠。2008年，研究人员分析了秀丽隐杆线虫中与盐诱导激酶SIK3同源的基因KIN-29在化学感觉信号依赖性基因表达和行为中的作用。当时已知当线虫摄入高质量食物后会表现出静止行为，这种行为类似于哺乳动物的饱腹感反应，但尚未被正式认定为睡眠。KIN-29突变体在食物刺激下的静止反应存在缺陷[36]。然而，2016年研究证实了SIK3与睡眠之间的功能性关联，因为发现SIK3能够调控随机突变小鼠的睡眠稳态[5]。后续在秀丽隐杆线虫中的研究阐明了一个分子机制：SIK3的同源基因KIN-29在EGF信号传导的上游起作用，将代谢状态和脂肪储存情况整合到睡眠调节过程中[7]。这些研究表明，慢性肥胖可能通过SIK3依赖的机制导致睡眠时间缩短，这一观点与人类中短睡眠与高脂肪储存水平相关的观察结果一致。

AMP激活的激酶和胰岛素信号传导途径也建立了代谢与睡眠之间的额外保守性联系。在缺乏食物的情况下孵化的秀丽隐杆线虫幼虫会进入一个称为L1停滞的发育阶段，在此期间它们会表现出饥饿诱导的睡眠，这一过程由AMPK和胰岛素信号传导调控[37]。这一途径通过激活秀丽隐杆线虫中名为DAF-16的转录因子来诱导睡眠，并促进保护性基因的表达，而DAF-16是一种受胰岛素信号抑制的延长寿命的转录因子[17]。其他物种的研究也证实了这些机制的普遍性：在果蝇中，FOXO调节饥饿诱导的睡眠；而在小鼠中，AMPK则参与睡眠稳态的调控。从医学角度来看，这为未来研究带来了有趣的可能性——如果能够调节AMPK或FOXO依赖的通路来激活包括睡眠在内的保护性机制，或许可以通过生活方式干预等手段来缓解与压力相关的病理问题和失眠。

抗菌肽作为先天免疫反应的一部分传递睡眠需求信号。传统上，抗菌肽和细胞因子被视为免疫效应分子，但长期以来人们怀疑它们在感染、受伤和炎症过程中会影响睡眠调节。通过实验性异位表达或直接将抗菌肽注射到大脑中，已经证明了它们能够增加哺乳动物和果蝇的睡眠时间[14, 32]。然而，单独敲除某些细胞因子或抗菌肽对果蝇的行为影响甚微，因此难以得出明确的机制结论。类似的情况也出现在秀丽隐杆线虫的研究中。不过，这一模型的优势使研究人员能够进一步研究，培育出同时缺乏19种抗菌肽基因的突变体。这些多重基因敲除的动物在受伤后表现出显著的睡眠减少现象，但由基因振荡器调控的睡眠时间并未改变，这证明了抗菌肽作为促睡眠因子具有高度冗余的功能，强调了它们在免疫反应中调节睡眠的重要性[29]。此外，对于某种抗菌肽，研究人员已经鉴定出了其受体和靶神经元，首次证实了抗菌肽在睡眠调节中具有跨组织的远程信号传导功能。未来研究可以探讨人类抗菌肽是否通过类似机制发挥作用。鉴于人们对肽类疗法的兴趣日益增长，抗菌肽有望成为治疗与免疫相关的睡眠障碍或术后疲劳的有效候选物质[38]。

总的来说，这些发现表明，由于其易于研究的特性，秀丽隐杆线虫确实在现代睡眠研究中占据了重要地位。与其他动物模型相比，它为剖析睡眠调节的基本机制及其益处提供了独特的视角。未来关于秀丽隐杆线虫睡眠的研究将进一步推动对哺乳动物睡眠机制的理解，帮助揭示控制我们生命三分之一时间的分子机制。