Ученые нашли переключатели сна в мозге мыши
Биологи изучали сон больше ста лет. С течением времени наверх начали всплывать интересные детали: лишение сна, как мы теперь знаем, может привести к летальному исходу. Сонное давление — потребность во сне — увеличивается, чем дольше мы бодрствуем. Как у людей, так и других млекопитающих, сон хорошо различим в показаниях активности мозга. Постепенно на жужжащей линии ЭЭГ начинает формироваться серия изломов, так называемых сонных веретен, которыми ярко светятся мониторы лабораторий сна.
Но при всех этих тщательных наблюдения молекулярные машины, стоящие за нашими ночными вылетами из сознания, остаются среди самых глубоких тайн в современной биологии. «На механистическом уровне мы не знаем, что заставляет нас хотеть спать», говорит Амита Сегал, хронобиолог из Университета штата Пенсильвания, проводящая исследования сна на плодовых мушках. Биологи заставляли мутировать тысячи лабораторных организмов вроде мушек, выбирая из них тех, у кого имеются отклонения в схемах сна, и изучали их гены. Также изучали людей с расстройствами сна. Идея заключается в том, что если мы можем определить, какие гены нарушены — что заставляет людей засыпать над столом или делает мушек слишком сонными, чтобы давать потомство, — мы приблизимся к пониманию того, почему мы вообще хотим спать и из чего состоит сон на молекулярном уровне.
И вот группа ученых из Японии и Техаса обнародовала первые результаты мощнейшего эксперимента, который выводит такой же подход, но с участием мышей, на невиданные ранее масштабы. В течение нескольких лет ученые проводили мутации генов тысяч мышей, подключали их к волновым мониторам мозга и наблюдали за их сном. В недавней статье в Nature ученые раскрыли два гена, которые могут участвовать в биологической машине сна. Первый был найден у мышей, которым нужно было больше сна, чем обычно. Другой нашли у мышей, которые проводят меньше сна со сновидениями (в фазе быстрого движения глаз, REM). Эти результаты поставили перед исследователями сна новые цели и способствуют растущей волне исследований по выявлению молекулярной основы сна.
Идея провести такой эксперимент появилась в 2007 году, говорит Масаси Янагисава. На то время биолог работал в Юго-Западном медицинском центре Техасского университета. Он занялся исследованием сна за десять лет до этого, когда вместе с коллегами развязал охоту на интересные нейротрансмиттеры, идентифицировав белок, который был связан с нарколепсией. Больные нарколепсией могут внезапно переходить в фазу быстрого движения глаз (засыпать), даже если сейчас смеялись или сидели в чате. Исследования при участии грызунов, которым не хватало этого белка, и колонии нарколептических собак в Стэнфорде, а также исследования на людях, вскоре выявили роль белка. Так называемый орексин помогает людям бодрствовать — но это еще не вся история. Ученые обнаружили и нейроны, отвечающие за состояние тревоги и седации. Янагисаве было все интереснее и все больше хотелось взломать черный ящик сна.
Не так давно биологи начали изучать тысячи мутантных мушек в поисках генов сна. Для мушек, которые пребывают в постоянном движении, когда бодрствуют, ученые определяют «сон» как периоды бездействия. Но золотой стандарт для изучения человеческого сна — это электроэнцефалография, или ЭЭГ, позволяющая отслеживать стадии сна, измеряя активность мозга. Было бы интересно попробовать этот метод с мышами, подумал Янагисава. Да, их разведение и содержание было бы дороже, чем мушек, но зато им можно было бы поставить имплантаты для наблюдения ЭЭГ. И мыши эволюционно ближе к людям. Поэтому ученый объединил усилия с Джозефом Таканаши из Юго-Западного университета, специалиста по глубоким исследованиям мышей.
Они решили, что смогут еженедельно создавать 30-40 мутантных мышей, имплантировать мониторы активности мозга им в головы и наблюдать, как долго они спят и как долго проводят времени в каждой фазе сна. Это исследование генерировало такие же данные, как и исследования на людях. Мышей с отклонениями можно было выявить, исходя из активности мозга, а затем просеять геномы в поисках ответственных за отклонения гены.
Пилотная фаза началась с нескольких сотен животных. «Каждая мышь могла быть сокровищем», говорит Янагисава. «Нужно было просто выяснить, какая из них». Они довольно скоро обнаружили мышь с нарушениями сна. А в 2009 году Янагисава получил огромный грант от правительства Японии для изучения сна. Грант был настолько большим, что позволил ему создать центр при Университете Цукуба в Японии, чтобы продолжить наблюдение в больших масштабах. «Теперь мы делаем до 100 мышей в неделю», говорит Янагисава.
В работе в Nature представлены результаты исследования 8000 мышей. На протяжении многих лет, как Сегал и другие исследователи, они слышали что-нибудь новенькое о прогрессе этой группы. Тем не менее названия генов всегда держали в строгом секрете. Сегал вспоминает совещание, на котором исследователь из лаборатории Янагисава поддразнивающе спросил аудиторию: «Спросите, о чем хотели бы узнать?». Толпа ревела в ответ: «Назовите гены!».
«Так что я была очень рада увидеть работу», со смехом говорит Сегал, «и, наконец, выяснить, что это были за гены».
Первый ген, который описала команда ученых, создает белок под названием SIK3. Мыши с мутантным геном SIK3 проводят меньше времени в режиме бодрствования — ежедневно они спали на 30% больше, чем другие мыши. SKI3 это фермент, который использует клеточные батареи — молекулы хранения энергии под названием АТФ — для активации других белков. Когда ученые исследовали природу этой мутации, они обнаружили, что она удалила переключатель SIK3. Мутация замкнула SIK3 в режиме «вкл».
Другой ген нашли у мыши, которая тратила меньше обычного времени в фазе сна быстрого движения глаз, случайно впадая и выпадая из этого состояния, которое обычно длилось на протяжении предсказуемого периода времени. Мутация в данном случае была в белке NALCN, который выступает в качестве канала в клеточных стенках нейронов. Этот белок позволяет ионам прорываться через них. Конкретно у этой мыши мутация могла вызывать нейронную активность, которая слишком рано выводила животное из фазы быстрого движения глаз.
Выявление генов, связанных со сном, не приведет к мгновенным ответам. Сон имеет столь важное значение для выживания, что предки каждого спящего существа, которое живет сегодня, рисковали смертью, чтобы делать это ежедневно. Это означает, что у каждого из нас в организме есть масса способов вызвать сон. Механизмов должно быть много, чтобы их было трудно нарушить случайной мутацией гена или чем-то еще, чтобы исключить возможность сна целиком. Мутантная муха, которая родится с тяжелой патологией сна, с течением поколений будет вырабатывать все большую и большую потребность сна, говорит Сегал. Это может представлять неудобство для ученых, но одновременно с этим говорит о надежности сна как механизма. И большинство генов, связанных со сном, которые нашли за последние десять лет, имели много назначений. «Не существует отдельного «гена сна», говорит Дивья Ситараман, исследователь сна из Университета Сан-Диего. «Есть гены с базовыми функциями, которые тоже влияют на сон».
В новой работе приводится отличный пример. SIK3, как оказалось, показывается не только в мозге. На протяжении многих лет ученые выяснили, что он используется по всему телу. Он связан с метаболическими проблемами, которые могут приводить к сонливости организма, говорит Том Скаммелл, врач и исследователь сна в Гарвардской школе медицины. Медицинское исследование мышей может помочь выявить, связана ли эта сонливость с влиянием SKI3 на сон или, например, с повреждением печени или почек.
Тем не менее, по мере того как работа над животными моделями продолжает выявлять все больше связанных со сном генов, у людей этот набор требует куда более серьезного подхода. Ученые перебирают тысячи людей в зависимости от времени их сна, изучают их гены, чтобы выявить между ними какие-нибудь связи и закономерности. Но исследования не приносят весомых результатов.
Пока что было выявлено не так много ассоциаций с генами, говорит Рика Саксена, генетик из Гарвардской школы медицины. Это связано, скорее всего, с избытком механизмов принуждения ко сну — не существует или не нашли конкретно выраженных генов, влияние которых можно выявить на общем фоне.
Впрочем, это абсолютно нормально для относительно новой области исследований. Да, сны исследуют давно, но до недавнего времени эти исследования носили весьма описательный характер. Теперь же эти исследования более механистичны. Тем временем Янагисава и его коллеги продолжают наблюдать за спящими грызунами. И поверьте, это очень интересно.
