线粒体起源的睡眠压力
Nature | Vol 645 | 18 September 2025
lightbulb 研究背景与意义
睡眠压力是睡眠稳态中的过程变量，但一直缺乏物理解释。尽管长时间清醒与大脑中的多种变化相关——包括神经元放电模式、突触连接强度、亚细胞区室组织、代谢物浓度以及代谢和基因表达程序的改变——但这些变化是睡眠需求增长的原因还是结果，通常仍无法确定。
- 首次揭示睡眠压力的线粒体起源，为理解睡眠的基本生物学机制提供了新视角
- 阐明了线粒体功能与睡眠调节之间的直接联系
- 为理解睡眠与能量代谢的关系提供了分子层面的证据
- 可能为睡眠障碍和代谢疾病的治疗提供新靶点
science 研究方法
为了全面、无偏见地了解大脑中可能导致睡眠需求的分子变化，我们表征了从休息和睡眠剥夺的果蝇中分离的单个细胞的转录组。研究采用了多种先进技术，从分子到行为层面全面探索睡眠压力的机制。
单细胞转录组学
单细胞RNA测序 (scRNA-seq)
使用10X Chromium平台对果蝇大脑中的单细胞进行RNA测序，分析休息和睡眠剥夺状态下的基因表达差异。特别关注投射到背扇形体(dFBNs)的睡眠控制神经元。
线粒体形态学分析
超分辨率显微镜技术
使用光学光子重分配显微镜(OPRM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对dFBNs中的线粒体进行高分辨率成像，分析线粒体形态、数量和分布的变化。
线粒体-内质网接触位点检测
使用SPLICSshort传感器检测线粒体与内质网之间的接触位点数量变化。
线粒体自噬检测
使用mito-QC比率传感器检测线粒体进入酸性自噬溶酶体的程度，评估线粒体自噬水平。
电生理记录
全细胞膜片钳记录
在活体果蝇中进行dFBNs的全细胞膜片钳记录，评估线粒体动力学变化对神经元兴奋性的影响。
ATP浓度测量
基因编码ATP传感器
使用iATPSnFR和ATeam等基因编码的ATP传感器，通过双光子成像技术测量dFBNs中的ATP浓度变化。
行为学分析
睡眠监测与剥夺
使用Trikinetics果蝇活动监测系统记录果蝇的睡眠行为，通过机械扰动或热遗传学方法进行睡眠剥夺。
insights 主要发现
睡眠剥夺后dFBNs中的基因表达变化
在睡眠剥夺后，dFBNs中选择性上调的转录本几乎全部编码参与线粒体呼吸和ATP合成的蛋白质。这些基因包括电子传递复合物I-IV、ATP合酶(复合物V. 、ATP-ADP载体sesB以及三羧酸循环酶的亚基。相反，参与突触组装、突触囊泡释放和突触前稳态可塑性的基因产物则被选择性下调。✅
这种转录组特征似乎是dFBNs独有的，在触角叶投射神经元和蘑菇体Kenyon细胞中未检测到，表明dFBNs在睡眠稳态中具有特殊作用。
线粒体形态变化
睡眠剥夺导致dFBNs中线粒体的大小、伸长和分支减少，同时线粒体数量增加，表明线粒体发生了分裂。这种形态变化伴随着动力相关蛋白1(Drp1)从细胞质到线粒体表面的重新定位。这些变化在恢复睡眠后可逆，并且通过在呼吸链中安装电子溢出通道(如AOX)而被减弱。
线粒体-内质网接触增加与线粒体自噬增强
睡眠剥夺刺激了线粒体与内质网接触位点的增加，以及线粒体自噬的增强。线粒体-内质网接触集中了分裂和融合机制，这些机制的动态平衡决定了线粒体网络的稳态形态，并通过允许磷脂从内质网通过来支持线粒体生物发生。
线粒体动力学改变影响睡眠
在dFBNs中诱导或阻止线粒体分裂或融合会以相反的方式改变睡眠和睡眠控制细胞的电特性：过度融合的线粒体增加神经元的兴奋性和睡眠，而碎片化的线粒体则降低神经元的兴奋性和睡眠。这表明线粒体动力学是调节睡眠压力的关键机制。
ATP浓度与睡眠压力的关系
dFBNs中的ATP浓度在强制唤醒后上升，这是因为在唤醒介导的这些神经元抑制期间ATP消耗减少，从而增加了它们的线粒体电子泄漏。与这一观点一致的是，将电子通量与ATP合成解耦可以缓解睡眠压力，而加剧电子供应与ATP需求之间的不匹配(通过光驱动的质子泵为ATP合成提供动力)则会促使睡眠。
architecture 机制解释
本研究揭示了一个将线粒体功能与睡眠压力联系起来的分子机制。这一机制的核心是线粒体电子传递链中的电子供应与ATP需求之间的平衡。
在清醒状态下，dFBNs的线粒体容易发生电子泄漏，这是因为：
- 清醒时热量摄入高，但神经元的电活动减少，导致ATP储备充足
- ATP需求低导致质子动力势(Δp)高，ATP与ADP比值高
- 高NADH与NAD+比值增加了电子供应
- 这些条件导致辅酶Q(CoQ)池过满，增加了电子从CoQ泄漏形成超氧化物和其他活性氧(ROS)的风险
Hyperkinetic是电压门控钾通道Shaker的β亚基，它调节dFBNs的电活动。Hyperkinetic是一种不寻常的醛酮还原酶，具有稳定结合的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)辅因子，其氧化状态(NADPH或NADP+)反映了进入呼吸链的电子的命运。
dFBNs通过计数脂质过氧化衍生的羰基在Hyperkinetic活性位点的还原，间接估计线粒体电子泄漏的大小。这种机制使dFBNs能够作为早期预警系统，检测到可能导致广泛损伤的电子泄漏。
线粒体分裂和融合之间的平衡变化是纠正NADH供应与ATP需求之间不匹配的反馈机制的一部分，这些不匹配导致睡眠压力上升或下降：
- 线粒体分裂：由Drp1介导，导致线粒体碎片化，降低神经元兴奋性和睡眠
- 线粒体融合：由Opa1和Marf介导，导致线粒体网络化，增加神经元兴奋性和睡眠
- 磷脂酸(由线粒体磷脂酶D mitoPLD从心磷脂产生)在线粒体融合中起关键作用
- Mitoguardin(Miga)稳定催化活性的mitoPLD和/或将磷脂(包括磷脂酸)从其他细胞膜转移到线粒体
本研究表明，睡眠可能是需氧代谢不可避免的结果。有氧代谢是真核生物在两次大气氧水平大幅增加(24亿年前和7.5-5.7亿年前)后最大化电子传递自由能产出的创新，为寒武纪多细胞生命大爆发奠定了基础。耗能巨大的神经系统随之出现，睡眠需求也随之出现。
睡眠与饥饿可能有相似的线粒体起源，电子流过各自反馈控制器的呼吸链，就像沙漏中的沙子一样，决定何时必须恢复平衡。
summarize 结论与意义
本研究通过多层次的实验方法，揭示了睡眠压力的线粒体起源，为理解睡眠的基本生物学机制提供了全新的视角。研究的主要结论和意义如下：
主要结论
- 睡眠剥夺后，dFBNs中线粒体呼吸和ATP合成相关基因表达上调，而突触功能相关基因表达下调
- 睡眠剥夺导致线粒体碎片化、线粒体-内质网接触增加和线粒体自噬增强
- 线粒体动力学(分裂与融合)的改变直接影响睡眠和睡眠控制神经元的电生理特性
- 睡眠压力的根源是线粒体电子供应与ATP需求之间的不匹配，导致电子泄漏和ROS产生
- 睡眠可能是需氧代谢不可避免的结果，与衰老有相似的代谢基础
科学意义
- 首次提供了睡眠压力的物理解释，将睡眠与基本的细胞代谢过程直接联系起来
- 揭示了线粒体动力学在睡眠调节中的关键作用，为理解睡眠的分子机制开辟了新途径
- 阐明了睡眠与能量代谢之间的深层联系，支持了睡眠具有古老代谢目的的观点
- 为理解睡眠障碍和代谢疾病的共同机制提供了新视角
- 为开发针对睡眠障碍的新治疗策略提供了潜在靶点，如调节线粒体动力学或电子传递链功能
未来研究方向
- 探索哺乳动物系统中类似的机制，验证这一发现的普遍性
- 研究线粒体功能障碍如何影响睡眠质量和数量
- 开发针对线粒体动力学或电子传递链的药物，以调节睡眠压力
- 探索睡眠与代谢疾病之间的共同机制
- 研究年龄相关的线粒体功能变化如何影响睡眠