睡不好引起的精神疾病或可得有效治疗
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睡不好引起的精神疾病或可得有效治疗

来源:光明日报2019-01-25

加班、轮班,频繁跨越时区,熬夜玩手机……现代社会压力使人们的作息时间很难严格遵循体内的生物钟,越来越多人面临着生物钟紊乱的困扰,遭受包括失眠、睡眠中断、日间过度嗜睡,继而出现睡梦中运动等各种各样的睡眠问题,往往还伴随脾气暴躁、社交障碍等精神问题。但长期以来,由于传统的动物模型的制约,科学界对于生物节律紊乱机理研究和相关疾病治疗手段的研发推进缓慢。

中国科学院神经科学研究所的生物节律与衰老疾病研究组和非人灵长类研究平台经过两年努力,利用CRISPR/Cas9方法,成功构建了世界首例核心节律基因BMAL1敲除猴模型,仔细验证后发现,敲除猴模型存在昼夜节律紊乱,并表现出类似精神分裂症的症状。该研究首次证实通过体细胞核移植技术可以克隆成年基因修饰猴,为模拟人的节律紊乱相关疾病迈出了关键一步。1月24日,我国顶级综合英文期刊《国家科学评论》在线发表了这一成果。

业界认为,世界首例非人灵长类节律紊乱模型的构建,有望给节律研究带来新的突破。该研究基于昼行性的非人灵长类动物模型,将生物节律与睡眠问题、精神疾病、免疫炎症反应、早衰等重大疾病联系起来,既可为开发这些疾病的治疗手段提供稳固可靠的理论基础,又可将其与临床相结合寻求对人类更精准有效的干预方法。

BMAL1敲除猴表现出节律活动异常和睡眠紊乱

生物的节律与基因密切相关,2017年的诺贝尔生理或医学奖就颁给了三位研究节律相关基因的科学家。生物节律系统在维持机体内在生理功能,如睡眠/觉醒系统、体温、代谢和器官功能等,以及适应环境变化等方面扮演着重要角色。生物节律紊乱与睡眠障碍、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)、精神类疾病(如抑郁症)、糖尿病、肿瘤以及心血管等疾病密切相关。然而,小鼠和果蝇等传统动物模型很难如实反映这些症状,极大地制约了生物节律紊乱机理研究和相关疾病治疗手段的研发,而非人灵长类动物与人类最接近,是研究节律紊乱相关疾病机理和诊治手段比较理想的动物模型,因此建立非人灵长类生物节律紊乱模型迫在眉睫。

2015年底,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心研究团队在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“脑认知与类脑前沿研究”和上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”的大力支持下,首次利用CRISPR/Cas9方法,敲除了猴胚胎中的生物节律核心基因BMAL1,并在2016年中旬顺利出生了8只小猴,其中5只被成功编辑。团队在此基础上,采集了一只睡眠紊乱症状最明显的BMAL1敲除猴的体细胞,通过体细胞克隆技术,于2018年获得了5只BMAL1基因敲除的克隆猴,这是国际上首次成功构建的一批遗传背景一致的生物节律紊乱猕猴模型。

行为学分析表明,这些猕猴具有昼夜活动紊乱、睡眠障碍、焦虑和精神分裂症等表型,血液分析也表明,其与炎症、睡眠障碍、抑郁等相关的基因表达水平显著上调。生物节律核心基因BMAL1好比调节生物钟的“起搏器”,BMAL1蛋白会与另一个蛋白CLOCK形成异二聚体,并与其他节律相关基因结合,启动这些基因的表达。随着这些基因的表达产物逐渐增多,它们将进入细胞核中,反过来抑制异二聚体的作用。研究人员给BMAL1敲除猴佩戴“小米手环”,以随时监测它们的昼夜活动情况,发现敲除猴并未按照24小时的生物周期活动,在夜间活动明显增多,这意味着敲除猴可能出现了失眠的问题。

于是,研究人员通过手术,在猴子背部皮下埋入记录脑电和肌电的植入子,分析其睡眠周期发现,敲除猴的快速眼动睡眠(REM,浅睡期)和慢波睡眠(NREM,熟睡期)明显减少。与此同时,研究人员通过搜集连续两天多个时间点的血液样本,对那些受节律调节的神经内分泌激素水平进行测定,发现帮助进入睡眠的褪黑素在敲除猴中分泌较少。同时还进行了基因表达谱分析,发现敲除猴与睡眠剥夺,抑郁症以及衰老等相关的基因表达水平上调。

构建节律紊乱与精神疾病研究的有效模型

有研究表明,节律紊乱或睡眠障碍是一些精神疾病,如双向情感障碍,抑郁症,自闭症谱系障碍的早期症状。此次,研究人员在对敲除猴的血液检测中发现,与压力应激相关的皮质醇在敲除猴的血液中一直处于高水平,这让他们联想到敲除猴在与人接触时极度紧张的反应。当有人靠近敲除猴时,它会双手抱住头部,蜷缩在角落里。如果将敲除猴放入一个新环境中,它也不能很快地适应,不敢像正常猴那样在环境中自由探索。

研究团队给猴子们做了一个经典的听觉刺激实验,在给出的一连串规律的声音中随机插入特殊的声音,记录猴子听到声音时的脑电图,发现敲除猴大脑在识别和反应这些特殊事件的能力上不如正常猴,这与精神分裂患者的情况类似。

这些精神疾病症状正是团队大费周章构建基因敲除猴所期望找到的。在此之前,大多数节律研究都是以小鼠为模式动物,可以用来深入探究节律的分子机制,但在转化应用方面,小鼠作为与人类生物节律相反的夜行性动物显然不是特别合适。而猕猴除了具有昼行性这一特性,在脑结构和功能上与人类高度相似,可以用来研究脑疾病和高级认知功能。随着近年来该团队新开发的缩短猴生殖周期技术的不断优化,以及体细胞克隆猴的实现,弥补了猕猴繁殖周期长,胚胎数量少的不足,可以构建出足够数目的具有遗传背景一致的动物模型。

“这是一个新颖的模型,对疾病医疗手段研发极为有用,将加速对疾病发病机理及治疗靶点筛查的研究进程。”该研究得到国际同行高度评价,其为脑认知功能研究、重大疾病早期诊断与干预、药物研发等提供了新型高效的动物模型,有助于缩短药物研发周期,提高药物研发成功率。

这也意味着,中国正式开启批量化、标准化创建疾病克隆猴模型的新时代。中国科学家在非人灵长类模型制备技术上的领先将转化为整体基础研究,尤其是神经科学研究走向世界前列的历史机遇。

记者 颜维琦

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2019-01-25 06:05:00 来源: 0 条评论

加班、轮班,频繁跨越时区,熬夜玩手机……现代社会压力使人们的作息时间很难严格遵循体内的生物钟,越来越多人面临着生物钟紊乱的困扰,遭受包括失眠、睡眠中断、日间过度嗜睡,继而出现睡梦中运动等各种各样的睡眠问题,往往还伴随脾气暴躁、社交障碍等精神问题。但长期以来,由于传统的动物模型的制约,科学界对于生物节律紊乱机理研究和相关疾病治疗手段的研发推进缓慢。

中国科学院神经科学研究所的生物节律与衰老疾病研究组和非人灵长类研究平台经过两年努力,利用CRISPR/Cas9方法,成功构建了世界首例核心节律基因BMAL1敲除猴模型,仔细验证后发现,敲除猴模型存在昼夜节律紊乱,并表现出类似精神分裂症的症状。该研究首次证实通过体细胞核移植技术可以克隆成年基因修饰猴,为模拟人的节律紊乱相关疾病迈出了关键一步。1月24日,我国顶级综合英文期刊《国家科学评论》在线发表了这一成果。

业界认为,世界首例非人灵长类节律紊乱模型的构建,有望给节律研究带来新的突破。该研究基于昼行性的非人灵长类动物模型,将生物节律与睡眠问题、精神疾病、免疫炎症反应、早衰等重大疾病联系起来,既可为开发这些疾病的治疗手段提供稳固可靠的理论基础,又可将其与临床相结合寻求对人类更精准有效的干预方法。

BMAL1敲除猴表现出节律活动异常和睡眠紊乱

生物的节律与基因密切相关,2017年的诺贝尔生理或医学奖就颁给了三位研究节律相关基因的科学家。生物节律系统在维持机体内在生理功能,如睡眠/觉醒系统、体温、代谢和器官功能等,以及适应环境变化等方面扮演着重要角色。生物节律紊乱与睡眠障碍、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)、精神类疾病(如抑郁症)、糖尿病、肿瘤以及心血管等疾病密切相关。然而,小鼠和果蝇等传统动物模型很难如实反映这些症状,极大地制约了生物节律紊乱机理研究和相关疾病治疗手段的研发,而非人灵长类动物与人类最接近,是研究节律紊乱相关疾病机理和诊治手段比较理想的动物模型,因此建立非人灵长类生物节律紊乱模型迫在眉睫。

2015年底,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心研究团队在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“脑认知与类脑前沿研究”和上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”的大力支持下,首次利用CRISPR/Cas9方法,敲除了猴胚胎中的生物节律核心基因BMAL1,并在2016年中旬顺利出生了8只小猴,其中5只被成功编辑。团队在此基础上,采集了一只睡眠紊乱症状最明显的BMAL1敲除猴的体细胞,通过体细胞克隆技术,于2018年获得了5只BMAL1基因敲除的克隆猴,这是国际上首次成功构建的一批遗传背景一致的生物节律紊乱猕猴模型。

行为学分析表明,这些猕猴具有昼夜活动紊乱、睡眠障碍、焦虑和精神分裂症等表型,血液分析也表明,其与炎症、睡眠障碍、抑郁等相关的基因表达水平显著上调。生物节律核心基因BMAL1好比调节生物钟的“起搏器”,BMAL1蛋白会与另一个蛋白CLOCK形成异二聚体,并与其他节律相关基因结合,启动这些基因的表达。随着这些基因的表达产物逐渐增多,它们将进入细胞核中,反过来抑制异二聚体的作用。研究人员给BMAL1敲除猴佩戴“小米手环”,以随时监测它们的昼夜活动情况,发现敲除猴并未按照24小时的生物周期活动,在夜间活动明显增多,这意味着敲除猴可能出现了失眠的问题。

于是,研究人员通过手术,在猴子背部皮下埋入记录脑电和肌电的植入子,分析其睡眠周期发现,敲除猴的快速眼动睡眠(REM,浅睡期)和慢波睡眠(NREM,熟睡期)明显减少。与此同时,研究人员通过搜集连续两天多个时间点的血液样本,对那些受节律调节的神经内分泌激素水平进行测定,发现帮助进入睡眠的褪黑素在敲除猴中分泌较少。同时还进行了基因表达谱分析,发现敲除猴与睡眠剥夺,抑郁症以及衰老等相关的基因表达水平上调。

构建节律紊乱与精神疾病研究的有效模型

有研究表明,节律紊乱或睡眠障碍是一些精神疾病,如双向情感障碍,抑郁症,自闭症谱系障碍的早期症状。此次,研究人员在对敲除猴的血液检测中发现,与压力应激相关的皮质醇在敲除猴的血液中一直处于高水平,这让他们联想到敲除猴在与人接触时极度紧张的反应。当有人靠近敲除猴时,它会双手抱住头部,蜷缩在角落里。如果将敲除猴放入一个新环境中,它也不能很快地适应,不敢像正常猴那样在环境中自由探索。

研究团队给猴子们做了一个经典的听觉刺激实验,在给出的一连串规律的声音中随机插入特殊的声音,记录猴子听到声音时的脑电图,发现敲除猴大脑在识别和反应这些特殊事件的能力上不如正常猴,这与精神分裂患者的情况类似。

这些精神疾病症状正是团队大费周章构建基因敲除猴所期望找到的。在此之前,大多数节律研究都是以小鼠为模式动物,可以用来深入探究节律的分子机制,但在转化应用方面,小鼠作为与人类生物节律相反的夜行性动物显然不是特别合适。而猕猴除了具有昼行性这一特性,在脑结构和功能上与人类高度相似,可以用来研究脑疾病和高级认知功能。随着近年来该团队新开发的缩短猴生殖周期技术的不断优化,以及体细胞克隆猴的实现,弥补了猕猴繁殖周期长,胚胎数量少的不足,可以构建出足够数目的具有遗传背景一致的动物模型。

“这是一个新颖的模型,对疾病医疗手段研发极为有用,将加速对疾病发病机理及治疗靶点筛查的研究进程。”该研究得到国际同行高度评价,其为脑认知功能研究、重大疾病早期诊断与干预、药物研发等提供了新型高效的动物模型,有助于缩短药物研发周期,提高药物研发成功率。

这也意味着,中国正式开启批量化、标准化创建疾病克隆猴模型的新时代。中国科学家在非人灵长类模型制备技术上的领先将转化为整体基础研究,尤其是神经科学研究走向世界前列的历史机遇。

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