Два нейропептида у рыбок данио раскрывают сложные нейронные механизмы сна

Сон — ключевое поведение для здорового функционирования разума и тела. Однако сложные нейронные механизмы, лежащие в его основе, только начинают изучаться. Нейробиологи, такие как профессор биологии Калтеха Дэвид Проубер, стремятся составить каталог генов, регулирующих сон.

Исследователи из лаборатории Проубера обнаружили, что два ранее описанных нейропептида (небольших белка, секретируемых нейронами) играют решающую роль в стимулировании сна. Понимание того, как эти и другие нейропептиды способствуют сну или бодрствованию, может в будущем привести к созданию более эффективных методов лечения расстройств сна.

"Хронические расстройства сна широко распространены в нашем обществе, и появляется все больше доказательств их связи с рядом распространенных заболеваний, включая некоторые неврологические расстройства. Таким образом, важно разрабатывать терапию для людей с нарушениями сна", — говорит Проубер. — "Большинство препаратов, используемых для лечения таких расстройств, как бессонница, действуют широко по всему мозгу и не специфичны для сна, фактически вызывая неестественное состояние сна, не состоящее из нормального паттерна стадий. Надежда заключается в том, что если мы сможем идентифицировать нейропептиды, способствующие бодрствованию или сну, то в конечном итоге сможем разработать препараты, нацеленные на их специфические рецепторы, чтобы более целенаправленно вызывать бодрствование или сон".

Маленькая, прозрачная рыбка данио-рерио — недавно разработанная модель для изучения сна. Как и люди, данио в основном спят ночью и имеют хорошо охарактеризованный геном. Недавние открытия нескольких лабораторий показали, что сон у данио и людей регулируется схожими механизмами, что позволяет предположить, что открытия, сделанные на данио, будут применимы к людям.

Нейропептид Y (NPY) и норадреналин

В статье, опубликованной 7 декабря в журнале Current Biology, команда под руководством постдока Калтеха Чанприта Сингха описывает роль в стимулировании сна для небольшого нейронного белка — нейропептида Y (NPY). Эта молекула широко распространена в мозге и известна своей ролью в регуляции питания и социального взаимодействия, но ее функция во сне оставалась неясной.

Исследователи предположили, что личинки данио будут полезной моделью для изучения роли NPY в сне, поскольку на этой стадии развития животные еще не начали питаться или взаимодействовать социально, что позволило проанализировать исключительно роль NPY во сне. Они обнаружили, что избыточная продукция NPY заставляла животных больше спать, в то время как животные без NPY спали меньше. Также были генетически модифицированы рыбки, полностью лишенные нейронов, экспрессирующих NPY, и оказалось, что они спят гораздо меньше.

Чтобы выяснить, как NPY взаимодействует с другими известными регуляторами сна, исследователи создали рыбок с избыточной продукцией NPY и одновременно "выключили" у них другие гены, участвующие в регуляции сна. Они обнаружили, что эффект NPY на сон зависит от одного конкретного гена, который производит химическое вещество норадреналин (известный также как норэпинефрин), способствующее бодрствованию.

"Наши наблюдения показывают, что NPY способствует сну, подавляя пробуждающий эффект норадреналина", — говорит Сингх. — "Более того, мы недавно показали, что способствующий бодрствованию нейропептид гипокретин стимулирует передачу сигналов норадреналина. Вместе эти исследования позволяют предположить, что норадреналиновая система интегрирует сигналы, способствующие сну и бодрствованию, чтобы определить поведенческое состояние животного".

Нейропептид VF (NPVF) — древний регулятор сна

В более ранней статье, опубликованной 6 ноября в журнале eLife, исследователи из Калтеха и Университета Южной Калифорнии описывают второй нейропептид — NPVF, который также, по-видимому, участвует в стимулировании сна.

Исследователи начали изучать NPVF, когда постдок Калтеха Дэниел Ли, ведущий автор статьи в eLife, узнал от коллег из лаборатории Пола Стернберга, что ген, родственный NPVF, способствует сну у круглого червя Caenorhabditis elegans (беспозвоночного). Он решил проверить, будет ли он делать то же самое у данио (позвоночных). Действительно, команда обнаружила, что генетическая сверхэкспрессия NPVF приводила к увеличению сна, а генетическое удаление NPVF вызывало повышенное бодрствование.

Команда использовала технику оптогенетики, чтобы модифицировать рыбок так, чтобы нейроны, производящие NPVF, можно было стимулировать светом. В отличие от нейронов NPY, которые распространены по всему мозгу, нейроны NPVF локализованы в небольшой части области мозга, называемой гипоталамусом, но их отростки проецируются во многие части мозга, включая области, известные как регуляторы сна. Исследователи предположили, что нейроны, производящие NPVF, могут таким образом регулировать сон, высвобождая пептиды NPVF в этих известных центрах сна.

Стимуляция нейронов NPVF приводила к увеличению сна, аналогично эффекту сверхэкспрессии NPVF. Стимуляция этих нейронов также подавляла нейронную активность по всему мозгу, создавая уровни активности, соответствующие тем, что наблюдаются во время нормального ночного сна. Кроме того, генетически модифицированные рыбки, лишенные нейронов NPVF, спали меньше, демонстрируя состояние, сходное с расстройством сна бессонницей у человека.

"Это первый пример семейства нейропептидов, которое способствует сну как у беспозвоночных, так и у позвоночных", — говорит Ли. — "Это говорит о том, что оно участвует в регулировании очень древней части системы сна и, следовательно, вероятно, является центральной частью механизма контроля сна и бодрствования".

Выводы и перспективы

Вместе результаты двух статей указывают на то, что нейропептиды NPY и NPVF, вероятно, способствуют сну у данио и могут вести себя аналогичным образом и у млекопитающих.

"Наша первая цель — открыть нейропептиды, регулирующие сон, но следующий шаг — выяснить, как они это делают", — говорит Проубер. — "Теперь мы знаем, что NPY взаимодействует с нейронами, производящими норадреналин, в стволе мозга, но мы еще не знаем, как NPVF вызывает сон. Теперь, когда мы определили некоторые части головоломки, мы должны понять, как их собрать воедино".

Статья в eLife озаглавлена "Genetic and neuronal regulation of sleep by neuropeptide VF". Статья в Current Biology озаглавлена "Neuropeptide Y regulates sleep by modulating noradrenergic signaling".