系统生物学方法揭示熬夜导致肥胖及糖尿病的分子机制

jianqiang

熬夜有害健康，经常熬夜及昼夜倒班的人获得肥胖及糖尿病的风险比普通人高29%，然而睡眠缺失导致肥胖和肌肉分解的相关分子机制仍不明确。近日，瑞典乌普萨拉大学的乔纳森·塞德纳斯团队与本中心合作在《SCIENCE ADVANCES》杂志上发表了相关研究的最新发现，提供了迄今为止最有说服力的证据，即睡眠中断会改变新陈代谢，增强身体储存脂肪的能力。这一研究结果一经发表即获得了广泛关注，发表当日即被《The Guardian》（卫报）、《New Scientist》（新科学家）等国际媒体转发报道。著名学术期刊《Science》也将在本周对这项研究以研究热点（Research Highlights）进行评论报道。

在这项研究中，研究人员运用生物信息学方法，对志愿者的脂肪及肌肉组织进行了基因组、转录组、代谢组及蛋白质组学分析，发现了在睡眠缺失后脂肪组织、肌肉组织全基因组DNA甲基化状态，蛋白质和代谢物的高度组织特异性改变，从而揭示了睡眠缺失诱导肥胖及促进肌肉分解的潜在分子机制。在本研究中，本中心的米佳教授承担了蛋白质组学及代谢组学的生物信息学部分分析工作，而中心名誉主任 JonasBergquist 教授团队则承担了蛋白质组学质谱分析的工作。
; _6 {% D& @. h$ @( }) K, q5 w) e' m
# j) Z% G# e  v1 n& ~" G

5 Z! e# h: M" g: u6 G6 }6 Y" `9 [1

. P$ p: x2 H5 c( _

为了研究“睡眠缺失是否会引起全基因组的改变”，研究人员选取了15名健康志愿者分别在正常夜间睡眠后及熬夜后（睡眠缺失） 的脂肪组织，肌肉组织样本和血液样本进行了系统生物学分析。研究结果表明，睡眠缺失导致脂肪组织组织特异性DNA甲基化改变，且甲基化水平与脂质代谢、细胞分化和DNA损伤反应相关的通路有直接联系。

3 N2 v5 x1 k( [, D& ]( x与脂肪组织相比，在骨骼肌组织中并未发现明显差异甲基化区域，故而接下来团队进行转录组学研究，对从相应的骨骼肌和脂肪组织样本中分离的总RNA进行转录RNA测序分析，结果显示在骨骼肌或皮下脂肪组织中显著改变的转录都表现出组织特异性的方向性以影响睡眠丧失。这些变化表明人体在失眠一夜之后确实发生了昼夜节律失调。
& E5 l, r8 Z% Q- F
& M+ X2 {' [2 H: |4 e2 P

2
0 A0 P) I! q% f8 E* c
为了量化睡眠不足对组织特异性蛋白表达产生的影响，研究者进而采用了无标记质谱分析技术。在骨骼肌样本中检测到1264种蛋白质，其中23种是下调的，随后的KEGG通路分析证实糖酵解是骨骼肌中最显著下调的途径，与之相反的是，骨骼肌中与线粒体能量代谢无关的蛋白质水平被上调，进一步表明在失眠一夜后，代谢燃料的利用转向非糖酵解氧化，这一发现可能代表昼夜相位失调，但无显著性差异。且质谱结果显示睡眠不足后骨骼肌中几种结构蛋白水平降低，为睡眠不足可增强骨骼肌的分解代谢提供了直接证据。

) A( T2 j- n/ h4 |2 Z1 N# ]9 N与此同时，研究者对皮下脂肪组织进行了基于质谱的蛋白质组学研究，在脂肪组织中共鉴定出1358种蛋白，有3种显著上调的蛋白质，这与前期RNA转录中糖酵解途径上调结果一致。睡眠缺失也似乎改变了与肥胖和2型糖尿病相关的脂肪组织中几个基因的表达，增加了它们吸收脂质的倾向，并增殖，这就解释了为什么失眠和睡眠模式紊乱导致肥胖和2型糖尿病的产生。
# ~0 D/ B0 X& B
: @  r% p0 t& S/ Z

3
- ?& P2 j& m1 V, I2 ~, ~
. T: R6 x3 M$ \+ b% C( j7 a睡眠中断是如何影响肌肉特异性生物钟改变的呢？研究者发现，睡眠中断后骨骼肌中核心时钟成分BMAL1的蛋白水平显著升高，而在脂肪组织中未见明显变化。这与前述DNA甲基化和转录中的特异性变化结果是一致的。而后研究者通过qPCR检测发现睡眠不足之后PDK4表达明显上调（PDK4和PKFB3是昼夜节律时钟调节最强的五个转录因子之一）暗示了分子生物钟在睡眠中断后骨骼肌葡萄糖代谢失调中的潜在作用。
  U: J' `# q6 j* K, L% U9 h
4
5 l' O2 X6 h* [
最后，研究人员使用气相色谱-质谱联用的方法分析了由于睡眠中断导致的代谢组变化，并与转录组和蛋白质组学变化进行了关联分析。研究发现骨骼肌组织中精氨酸、天冬酰胺、苏氨酸等几种必需氨基酸水平降低，进一步表明睡眠不足会改变氨基酸代谢，促进骨骼肌蛋白质分解；在脂肪组织中，苹果酸和甘油酸-3-磷酸的含量增加，这表明可能通过甘油合成增加脂肪酸的合成。而血清中5-脱水-D-葡萄糖醇的水平较低，这是一种对高血糖作出反应而降低的标志，这进一步证明了睡眠中断后葡萄糖代谢受损和代谢底物的改变。
/ ~. f- ?- X# d( `, `5 {! F
5
' K8 g9 ^5 B7 T' v$ N2 S
昼夜倒班和睡眠不足与肥胖和糖尿病的风险息息相关，研究者通过对骨骼肌和脂肪组织的平行采样，首次发现了对急性睡眠丧失影响人类关键代谢组织的组织特异性机制，显示了这些组织在分子水平的变化差异。结果表明，睡眠不足与骨骼肌糖酵解途径的下调有关，皮下脂肪组织糖酵解途径上调，这些变化可能是由于急性组织特异性昼夜节律失调引起的，急性睡眠不足可重新编程脂肪组织中的DNA甲基化以促进肥胖的增加。骨骼肌中的结构蛋白水平随着睡眠不足而降低，而与脂肪组织中与脂肪生成有关的蛋白水平则有所增加。
3 V; L$ g: t, r. \8 x# v
睡眠不足会干扰人体正常的荷尔蒙循环，从而影响身体的新陈代谢并会损害参与维持肌肉的荷尔蒙（如生长激素和睾酮），并增加清晨皮质醇水平，从而促进脂肪储存。这些组织特异性的发现为慢性睡眠减少和生理节律失调提供了新的见解，为睡眠缺失研究的未来走向提供了崭新的视角，也为探索睡眠障碍与疾病之间的联系提供了重要的引导作用。
/ l2 h1 [0 P" F$ o: i
& W8 H) @  `9 W: r& L2 s目前本中心已与耶鲁大学，乌普萨拉大学，卡罗林斯卡医学院等世界知名大学，以及中山大学，西湖大学，军事医学科学院，复旦大学，山东大学，哈尔滨医科大学等国内著名大学建立了广泛的学术合作联系。而本项合作研究标志着本中心的国际科研合作水平又迈上一个新的台阶。

5 `# `9 J; a2 n# I+ F( V, @1 W