生科饒毅實驗室發現腸上皮產生特殊胺基酸調控睡眠

2019年5月7日，國際學術刊物《自然·通訊》在線發表北京大學生命科學學院、北大麥戈文腦科學研究所、北京腦科學與類腦研究中心饒毅實驗室博士後戴熙慧敏、周恩興等的研究論文「D-Serine made by serine racemase in Drosophilaintestine plays a physiological role in sleep（果蠅腸道產生的D型絲氨酸在睡眠中的生理作用）」。研究團隊發現了特別分子——D型胺基酸調節睡眠這一重要生理學過程。

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這項研究有三點新穎的發現。

一是D型胺基酸的作用。一般認為生物體內都是L型胺基酸，約20年前，科學研究發現體內有D型胺基酸，但很不理解其生理作用。研究團隊用遺傳學和分子生物學方法發現D型絲氨酸在生理上發揮著調控睡眠的作用。

二是腸道的奇特作用。一般認為腦內神經細胞調控睡眠。他們發現，雖然合成D型絲氨酸的酶（SR）在神經細胞和腸道上皮細胞都存在，但合成酶的基因缺失後，會導致睡眠減少，只要把合成酶放迴腸道表皮細胞就可以解決睡眠問題。

三是所謂興奮性受體NMDA卻參與促進睡眠。已知NMDA受體是興奮性神經遞質穀氨酸的受體，而D型絲氨酸輔助穀氨酸激活NMDA受體。研究團隊發現D型絲氨酸通過NMDA受體而促進睡眠。一種想當然的看法是興奮神經元應該導致覺醒，而抑制神經元應該導致睡眠。他們的研究表明，睡眠的分子和細胞機理與一般想法顯然不同。

戴熙慧敏、周恩興為共同第一作者，參與者還有研究生楊威、副教授張文霞、化學研究生張曉輝；饒毅為通訊作者。技術員楊光和實驗員嚴萍萍為實驗進行提供了幫助。這項研究得到北京市科委、北大-清華生命科學聯合中心、北京腦科學中心和國家自然科學基金會資助。

延伸閱讀：

關於果蠅睡眠的研究

對動物來說，睡眠的意義毋庸置疑。但是睡眠的機理一直不清楚，睡眠異常患者所需藥物的效果也一直不能令人滿意。以前用於研究睡眠的主要動物是小鼠。20年前，美國科學家率先用果蠅研究睡眠，利用其遺傳學的便利發現了一些參與調節果蠅睡眠的基因。

果蠅睡眠的另一重要基礎研究是果蠅的生物鐘研究。自1971年開創的果蠅生物鐘研究，在經歷20多年的質疑後，於1990年代中後期被證明對包括人類在內的哺乳類也有意義，逐漸證明調節果蠅生物鐘的基因絕大多數也是調節人類生物鐘的基因。

2017年，生物鐘的諾貝爾獎頒給三位研究果蠅生物鐘的美國科學家，而非研究小鼠和人的生物鐘的科學家，原因是果蠅的研究為先驅，小鼠和人的研究雖然重要，但落後於果蠅的研究。

在睡眠研究方面果蠅能否同樣領先？目前還沒有得到證明。什麼是睡眠？果蠅的靜息是睡眠嗎？就算是睡眠，果蠅的睡眠機理一定和高等動物類似嗎？這些問題都還懸而未決。

睡眠是饒毅實驗室研究的生物學問題之一。近年該實驗室開始研究果蠅和小鼠的睡眠。2017年，饒毅的研究生錢永軍在elife發表論文，證明果蠅的五羥色胺調節睡眠，而且在細胞層面可以發現兩個細胞表達特定的五羥色胺受體而調節睡眠；2018年，其博士後張嫻和研究生閆洪銘在《分子藥理學》發表論文，證明小鼠的五羥色胺參與調節睡眠，糾正了近年國外科學家的兩篇論文中提出的「五羥色胺不直接調節睡眠」的錯誤，重新確定了多年來人們認為五羥色胺參與哺乳類睡眠的結論。這兩篇論文也確定了從昆蟲到哺乳類、神經遞質五羥色胺都能調節睡眠。2019年3月6日，饒毅實驗室鄧博文等發表的「化學連接組（CCT）」論文，其中部分實驗用睡眠做模型，發現了41個影響果蠅睡眠的基因。

新發現：內源D型絲氨酸的功能

胺基酸有D和L兩種構型。長期以來，教科書認為生物體內只有L型胺基酸，沒有D型胺基酸。近20年發現動物體內有部分胺基酸的D型。但它們不參與蛋白質合成。那麼它們起什麼功能呢？至今仍是一個謎。如果給動物餵D型胺基酸呢？我們只能看到外源、非生理性來源的D型胺基酸的作用，未能揭示內源、生理來源的D型胺基酸的作用。

研究團隊通過遺傳篩選發現，D型絲氨酸的合成酶（絲氨酸異構酶，SR）參與睡眠，如果SR基因缺失，睡眠就會減少。在這一發現的基礎上，他們進一步研究了五個基因和兩種藥物——兩個合成D型絲氨酸的酶、兩個降解D型絲氨酸的酶、一個編碼D型絲氨酸受體基因。具體來講，任何一個合成D型絲氨酸的酶被基因突變而缺失後，睡眠都會減少；而降解D型絲氨酸的酶缺乏後，睡眠卻會增加；D型絲氨酸受體的基因缺乏後，睡眠也會減少。通過給予不同的化學分子作為藥物，他們發現只有D型絲氨酸可以挽救D型絲氨酸合成酶突變的睡眠表型。

實驗結果確定D型絲氨酸可以調節睡眠，因為遺傳突變改變的是內源的D型絲氨酸，證明了內源D型絲氨酸的生理作用，而非外源D型絲氨酸的非生理性作用。

SR表達在腸道的上皮細胞

研究團隊發現，合成D型絲氨酸的關鍵酶SR在果蠅神經系統裡面表達於四個神經元中，這與哺乳類不同。哺乳類動物中存在「SR存在於神經細胞還是神經膠質細胞」的爭議。迄今為止沒有在果蠅的神經膠質細胞中檢測到SR。他們發現SR居然表達在腸道的上皮細胞。團隊進一步發現，在果蠅全身缺乏SR而睡眠減少時，通過轉基因把SR重新引入腸道特定的上皮細胞，就能挽救睡眠減少的表型，讓果蠅恢復正常睡眠。

這一結果與近年熱門的腸道細菌研究不同，發現的是腸道表皮細胞的作用，而非腸道內所含細菌的作用。