老了會不會痴呆,也許生物鐘能告訴你

虎嗅網2019-05-09 15:20:54


本文來自微信公眾號:返樸(ID: fanpu2019),撰文:蔣昕(中科院上海生命科學研究院神經科學研究所博士),封面:電視劇《都挺好》


你注意到了嗎:隨著年齡增長,許多老年人的生物節律會發生紊亂,白天瞌睡晚上醒,或者本來白天好好的,卻在日落時分犯起糊塗來。此外,老年人也易患阿爾茲海默病、帕金森病等神經退行性疾病。這些問題有什麼內在聯繫?


地球通過自轉和公轉產生晝夜分明的二十四小時和四季變化的三百六十五天,地球上的生物也進化出穩定的“生物鐘”以適應外界環境中的光照、溫度等變化。這種奇妙的生物節律一直是科學家研究的熱點。


目前研究人員已利用在不同模式生物中的遺傳學篩選,以及對睡眠疾病患者進行基因測序的方式找到了調控節律的關鍵基因,正是由這些基因構成的網絡形成了我們體內看不見的“時鐘”。但隨著人年齡的增加,這個原本穩定的時鐘有時也會慢慢出現毛病,於是有些人會出現節律相關的問題。


除了生物鐘的紊亂,伴隨衰老而來的還有神經退行性疾病,如阿爾茲海默病(俗稱老年痴呆症)和帕金森病等。奇怪的是,有些神經退行性疾病的患者除了出現這些疾病的典型症狀如記憶力減退、運動僵直等外,還會出現生物節律的紊亂。且有時節律異常甚至在罹患神經退行性疾病之前好幾年,就已出現。


這不禁令人發問,生物節律的紊亂與退行性疾病的發生發展之間是否存在著因果關係?


生物鐘的分子零件


2017年諾貝爾生理或醫學獎授予了三位在果蠅上找到調控生物鐘關鍵基因的科學家,讓更多人知道了像生物節律這樣複雜的行為也是由基因控制的。


但追溯到1971年,當加州理工大學的本澤(S. Benzer)教授和他的學生科諾普卡(R. Kanopka)驚訝地發現一個基因(PER)竟能調節果蠅的節律時,本澤教授博士後的導師德爾布魯克(M. Delbruck)教授卻堅定地對他說:“不,我一個字都不相信!”


但在一代又一代科學家的努力下,從果蠅的 Per 基因開始,至今不僅已利用小鼠在哺乳動物中找到十幾個調節基因表達的蛋白質是如何構成精細網絡來調節生物節律的。


本澤教授和他的巨型果蠅模型。他是將基因帶到行為學中第一人,即發現有些行為是由基因決定的。他利用順向遺傳學篩選的方法 (即在模式生物中進行大規模基因突變後,用特定的行為範式進行篩查,得知哪種基因突變會影響對應的行為) 在果蠅中找到與趨光性、生物節律和學習記憶相關的基因。之後其他科學家借鑑這種篩選方法,在小鼠上找到哺乳動物中控制節律的基因。


哺乳動物中,這些核心節律蛋白之間能通過相互作用形成三條負反饋調控通路。而這三條負反饋通路中, 最重要的通路由激活蛋白 BMAL1、CLOCK 和抑制蛋白 PER、CRY 構成。白天,激活蛋白複合體結合在 PerCry 基因的啟動子(一段能調控基因表達的DNA序列)上,激活 PER、CRY 的表達,其表達量逐漸積累, 到傍晚時達到高峰。


但抑制蛋白 PER、CRY 表達之後, 卻反過來通過與激活蛋白複合體結合,來抑制自身的表達,於是 PER、CRY 的含量又在夜晚逐漸降低。到次日清晨,由於數量的減少,PER、CRY 對自身表達的抑制也就被解除了,從而又激活蛋白複合體開啟新一輪的調節 ,周而復始 。


哺乳動物生物鐘的重要負反饋通路。激活蛋白複合體 BMAL1 和 CLOCK 作用於編碼具抑制作用的 PER、CRY 蛋白的基因啟動子上,在白天促進 PER、 CRY 的表達,到夜晚 PER、CRY 蛋白量達到最高峰, 它們又反過來與 BMAL1、CLOCK 蛋白相互結合,作用於自己的啟動子區域,抑制自身的表達。


神經退行性疾病中的節律紊亂


神經退行性疾病是由於大腦中某個腦區或某類神經細胞的死亡而造成的一系列疾病。較常見的神經退行性疾病有:影響認知和學習記憶的阿爾茲海默病、額顳痴呆(frontotemporal dementia),以及主要影響運動功能的帕金森病、亨廷頓舞蹈症和肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,俗稱漸凍症)


神經退行性疾病的治療目前還是世界性醫學難題,對於基礎科研工作者來說,對這類疾病致病機制的探索道路還很漫長。所幸的是,這些疾病中有部分患者是家族性遺傳的(絕大部分患者是散發性的,即沒有家庭遺傳背景)。而對於這部分患者,可以通過基因測序得知是什麼基因突變引發疾病,進而研究該基因的致病機理和發病機制。


在臨床上,一些診治神經退行性疾病的醫生髮現了一個奇怪的現象,即部分患者會出現生物節律方面的問題。比如,25%~65% 阿爾茲海默病患者在發病早期到發病期間,伴有不同症狀的睡眠障礙,且很多睡眠障礙的產生甚至早於出現阿爾茲海默病的典型認知障礙。


這些患者的睡眠問題包括白天瞌睡增多,晚間失眠且睡眠間斷,每天的認知狀況隨著一天中光線逐漸變暗而變差(日落綜合徵)等。此外,他們的腦電記錄(EEG)顯示,快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠時間都比對照人群的短。


典型的人夜晚睡眠週期圖。根據腦電 (EEG) 和肌電(EMG)以及眼動記錄 (EOG) 可將睡眠分為非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠階段 (藍線所示) 。非快速眼動睡眠又分為 4 個階段。在一晚約 6 小時睡眠中,90~110 分鐘 (由豎直虛線分隔) 為一個睡眠週期,不同睡眠階段在一個週期內依次循環。其中非快速眼動睡眠和快速眼動睡眠的肌電圖類似, 但腦電圖差別較大;清醒階段和快速眼動睡眠階段的腦電圖類似但肌電圖差異巨大。


除了阿爾茲海默症外,帕金森病患者中睡眠 - 覺醒行為的紊亂還能作為其發病前的重要預測指標之一。據報道,有超過 2/3 的帕金森病患者會出現睡眠問題,其中最嚴重的是快速眼動睡眠障礙。快速眼動睡眠約佔夜晚睡眠總時長的 20%,在這段時間裡人們常常會產生逼真的夢境。


但因為正常人的運動中樞在沉睡時是受到抑制的,所以夢永遠只是虛無的想象,但快速眼動障礙的患者卻失去了對運動的抑制,於是會跟隨夢境揮動四肢、扭動身體,甚至會放聲呼喊起來。不幸的是,罹患快速眼動障礙的人群比對照人群更容易在未來患上帕金森病。


神經退行性疾病與生物節律紊亂間的關係


許多臨床數據已充分說明了不同神經退行性疾病與生物節律之間的相關性,但對於治病救人來說,只知道相關性還遠遠不夠。那麼,如何來探究這兩者之間的因果關係呢?一條最直接的思路就是,神經退行性疾病的致病基因是否能直接調控生物節律呢?更細化一點地說,這些致病基因能否調控核心節律基因的表達,並當致病基因出現突變後,是否也會讓個體產生節律行為的異常呢?


近期的一項研究將關注點集中在一個與兩種神經退行性疾病(漸凍症和額顳痴呆)都相關的蛋白 FUS上面。Fus 基因的突變會造成漸凍症,且在患這兩種病的一些患者腦中也檢測到 FUS 蛋白的異常病理性聚集。 在這兩類疾病特別是額顳痴呆患者中也有睡眠異常的報道,但還沒有相關分子機制的研究。


一系列分子生化實驗發現,FUS 蛋白也能結合在核心節律基因 PER、CRY 的啟動子區域,並通過招募有抑制基因表達作用的 PSF-HDAC1 蛋白複合體,進而抑制 PER、CRY 基因的表達。這說明神經退行性疾病的致病基因也能調控核心節律基因的表達[1]


FUS 蛋白在漸凍症和額顳痴呆。患者腦中的異常聚集 (箭頭所指) [2]


用跑輪實驗檢測大鼠的生物節律。每隻大鼠單籠飼養於一個放置有跑輪的鼠籠內,通過連續長時間記錄籠內輪子的轉動情況,來表徵動物的晝夜節律。


如何研究 FUS 基因的致病突變是否會影響個體的節律行為呢?漸凍症中最常見的 FUS 基因突變使得 FUS 蛋白第521位精氨酸突變為半胱氨酸,這使原本主要分佈於細胞核內的 FUS 蛋白更多地分佈於細胞質中, 這可能影響 FUS 蛋白在細胞核內行使其調控節律基因表達的功能,從而影響個體的節律行為。


為驗證 FUS 突變是否會影響節律行為,研究者使用了有著與人類相似 FUS 蛋白的大鼠作為模式生物,並運用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術構建了一個與患者 FUS 蛋白第521位突變相同的 FUS-521 突變大鼠 [3]


為觀察 FUS 突變是否會影響節律,研究者採用經典的跑輪實驗來記錄大鼠的晝夜運動行為,以表徵其生物節律。並通過記錄大鼠的腦電檢測其睡眠情況。實驗結果顯示,FUS 突變大鼠的運動節律和睡眠與野生型大鼠相比都出現了異常。這說明突變的致病基因也能影響生物體的正常節律。


FUS 蛋白調控生物節律的分子機制。FUS 蛋白能將抑制基因表達的 PSF 和 HDAC1 蛋白招募到 PER、CRY 基因啟動子區域來抑制 PER、CRY 的表達。


綜上所述,一些神經退行性疾病的致病基因會通過調控核心節律基因的表達,來改變生物節律,所以患者中出現的節律症狀有可能是突變的致病基因引起的,但對於不同基因都需要用實驗進行探究證實。


但更重要的問題是,探索神經退行性疾病患者中的節律紊亂問題與患者更嚴重的疾病典型症狀,如認知障礙、運動異常等有著怎樣的關係。如果能對生物節律紊亂症狀採取干預,那是否也能對其他典型症狀有所緩解。


目前臨床上已有針對阿爾茲海默症患者採取光照的治療手段,即通過強光照射調節其晝夜節律,但這種方法對患者的認知水平是否有幫助,還有待分析。因此,基礎科學方面更多關於兩者因果關係的探索及臨床上針對患者節律紊亂治療的嘗試都是值得努力的方向。


參考文獻


[1] Jiang X, Zhang T, Wang H, et al. Neurodegeneration-associated FUS is a novel regulator of circadian gene expression. Translational Neurodegeneration,2018,7: 24-34.


[2] Dormann D, Haass C. TDP-43 and FUS: a nuclear affair. Trends Neurosci, 2011, 34(7): 339-48.


[3] Zhang T, Jiang X, Xu M, et al. Sleep and circadian abnormalitiesprecede cognitive de cits in R521C FUS knockin rats. Neurobiology of Aging, 2018, 72: 159-70.


《返樸》,致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編,與幾十位學者組成的編委會一起,與你共同求索。關注《返樸》(微信號:fanpu2019)參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫fanpu2019@outlook.com。


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