定量的リン酸化プロテオーム解析による睡眠必要性の分子基質の解明

Quantitative phosphoproteomic analysis of the molecular substrates of sleep need.

抄録

睡眠と覚醒は、分子レベルの変化や神経細胞の活動、シナプスの可塑性など、脳生理に大きな影響を与える。睡眠覚醒の恒常性は、覚醒時に蓄積され、睡眠時に消失する睡眠欲求の生成によって維持されている。我々は、睡眠不足マウスと睡眠不足増加モデルマウスを用い、定量的リン酸化プロテオミクス解析により、睡眠欲求の分子基盤を明らかにした。睡眠不足は脳内プロテオームの累積的なリン酸化を誘導し、それは睡眠中に消失する。Sik3遺伝子の機能獲得変異を持つSleepyマウスは、睡眠時間が増加するにもかかわらず、恒常的に高い睡眠欲求を有している。このマウスの脳内プロテオームには、睡眠不足のマウスの脳と同様のリン酸化亢進が見られる。この2つのモデルを比較した結果、80種類のシナプス睡眠必要度指標リン酸化タンパク質（SNIPPs）のほとんどが、睡眠必要度の変化と密接に関連するリン酸化状態であることがわかりました。変異型SIK3タンパク質であるSLEEPYは、SNIPPに優先的に結合し、リン酸化を行う。SIK3タンパク質の活性を阻害すると、SLEEPYマウスと睡眠不足の野生型マウスの両方で、SNIPPのリン酸化と、睡眠必要度の測定指標として最もよく知られている非急性眼球運動睡眠中の徐波活動が減少しました。この結果は、SNIPPのリン酸化が睡眠欲求に関連して蓄積・消滅することを示唆しており、したがってSNIPPのリン酸化は睡眠欲求の分子的特徴であると言える。覚醒はシナプスを増強することで記憶を符号化するのに対し、睡眠は興奮性シナプスを全体的にダウンスケールさせることで記憶を定着させ、シナプスの恒常性を回復させる。したがって、SNIPPのリン酸化-リン酸化サイクルは、シナプスの恒常性と睡眠-覚醒の恒常性の両方を支える主要な制御機構である可能性があります。

Sleep and wake have global effects on brain physiology, from molecular changes and neuronal activities to synaptic plasticity. Sleep-wake homeostasis is maintained by the generation of a sleep need that accumulates during waking and dissipates during sleep. Here we investigate the molecular basis of sleep need using quantitative phosphoproteomic analysis of the sleep-deprived and Sleepy mouse models of increased sleep need. Sleep deprivation induces cumulative phosphorylation of the brain proteome, which dissipates during sleep. Sleepy mice, owing to a gain-of-function mutation in the Sik3 gene , have a constitutively high sleep need despite increased sleep amount. The brain proteome of these mice exhibits hyperphosphorylation, similar to that seen in the brain of sleep-deprived mice. Comparison of the two models identifies 80 mostly synaptic sleep-need-index phosphoproteins (SNIPPs), in which phosphorylation states closely parallel changes of sleep need. SLEEPY, the mutant SIK3 protein, preferentially associates with and phosphorylates SNIPPs. Inhibition of SIK3 activity reduces phosphorylation of SNIPPs and slow wave activity during non-rapid-eye-movement sleep, the best known measurable index of sleep need, in both Sleepy mice and sleep-deprived wild-type mice. Our results suggest that phosphorylation of SNIPPs accumulates and dissipates in relation to sleep need, and therefore SNIPP phosphorylation is a molecular signature of sleep need. Whereas waking encodes memories by potentiating synapses, sleep consolidates memories and restores synaptic homeostasis by globally downscaling excitatory synapses. Thus, the phosphorylation-dephosphorylation cycle of SNIPPs may represent a major regulatory mechanism that underlies both synaptic homeostasis and sleep-wake homeostasis.