Nature：睡眠调节与脂质过氧化记忆的新发现

摘要：电压门控钾（KV）通道含有暴露于细胞质的β-亚基，这些β-亚基的醛酮还原酶活性对于睡眠的稳态调节至关重要。2025年3月19日，由英国，德国，瑞士多机构合作共同发表在nature杂志上的文章：“Sleep pressure accumulates in a v

电压门控钾（KV）通道含有暴露于细胞质的β-亚基，这些β-亚基的醛酮还原酶活性对于睡眠的稳态调节至关重要。2025年3月19日，由英国，德国，瑞士多机构合作共同发表在nature杂志上的文章：“Sleep pressure accumulates in a voltage-gated lipid peroxidation memory”提出了一个模型，假设KV1通道的β-亚基作为生化记忆单元，可以记录神经元的脂质过氧化历史。然后通过果蝇测试了这个模型，分析了睡眠和清醒状态下大脑脂质的氧化损伤，研究了脂质过氧化产物对Shaker通道的影响，并探讨了电压传感器和NADP(H)结合位点在通道氧化还原调控中的作用。最终，研究结果证实了这种自我调节机制，即KV1通道通过其β-亚基的状态编码神经元的脂质过氧化历史，并在后续的神经活动中被读取和清除，从而调节睡眠压力的积累和释放（图1）。

图1：KVβ的信息存储

一.睡眠剥夺引起的大脑脂质组指纹变化

研究者利用高分辨率扫描微探针基质辅助激光解吸/电离质谱成像（SMALDI-MSI）分析了睡眠剥夺对脑脂质组的影响。他们扫描了10µm厚的脑切片，并以5µm×5µm的横向分辨率获取数百种脂质的空间分布，然后与标记了背侧扇形神经元（dFBNs）的荧光图像进行叠加分析。

研究发现，睡眠剥夺组和休息组的脑脂质谱存在显著差异，并且脂质组成可准确推断个体的睡眠历史。主成分分析显示，85%的方差可由一个主成分解释。380个甘油磷脂信号中，有51个在睡眠剥夺后增减超过两倍（FDR调整后P

分析表明，休息组的甘油磷脂含有肌醇、丝氨酸、乙醇胺或胆碱头基，其脂肪链长度中位数为37.5个碳，且高度不饱和（平均5.0±2.61个双键，最多12个）。而睡眠剥夺组的甘油磷脂主要为胆碱和乙醇胺头基，脂肪链较短（中位数33.5个碳），且双键显著减少（平均2.0±2.03个）。此外，睡眠剥夺还导致磷脂酸（phosphatidicacid,PA）含量下降，而PA在甘油磷脂合成和线粒体融合中起重要作用，其缺乏会导致睡眠减少。

总体而言，睡眠剥夺使神经元膜中的多不饱和脂肪酸（PUFAs）减少，推测是由于氧化损伤，从而导致饱和脂质比例上升。而休息状态下，脑组织通过PA介导的甘油磷脂合成修复膜结构，并可能逆转因氧化应激导致的线粒体碎裂（图2）。

图2：睡眠剥夺耗尽大脑磷脂中的多不饱和脂肪酸

二.脂质氧化衍生的羰基化合物促进睡眠

膜脂质的过氧化始于双烯丙基氢（bis-allylichydrogen）被自由基氧化剂（如HOO•或•OH）提取，生成脂质自由基。该自由基与O₂反应形成脂质过氧自由基，进而从另一个PUFA抽取氢，生成新的脂质自由基和脂质氢过氧化物，直至两个自由基结合完成终止反应。过程中，脂质氢过氧化物发生一系列重排和裂解，产生短链和中链羰基化合物，如4-ONE，一种可能的KVβ底物。

在主要的抗氧化防御系统之后，短链脱氢酶/还原酶（SDRs）构成了第二道防线，例如哺乳动物的羰基还原酶1及其果蝇中的同源物sniffer。研究者测试了破坏和修复该防御系统对睡眠的影响。结果表明，携带X连锁sniffer低功能突变（sni1）的雄性果蝇在昼夜均表现出睡眠时间延长，且睡眠更加稳定和持续，但在神经退行性变导致运动障碍出现之前。当sni1突变体表达UAS-sni救援基因时，睡眠恢复至野生型水平或更低。类似地，线粒体替代氧化酶（AOX）通过减少线粒体ROS也降低了突变体的睡眠增加。此外，RNA干扰（RNAi）去除Hyperkinetic基因（神经元全局或特定于dFBNs）同样抑制了sni1突变体的睡眠延长。

这些数据表明，脂质氧化衍生物位于线粒体呼吸链的下游，最终通过调控dFBNs中Hyperkinetic蛋白增加睡眠压力（图3）。

图3：脂质过氧化产物是将线粒体电子传输与睡眠联系起来的信号链中的中间产物

三.脂质过氧化的氧化还原记忆

研究发现，脂质过氧化衍生的羰基化合物可改变Hyperkinetic的辅因子氧化状态。研究人员利用全细胞电压钳记录估算KVβ的NADP+:NADPH比值，结果显示sni1突变体内源性PUFA衍生的羰基化合物水平升高，导致Shaker-Hyperkinetic复合体处于NADP+结合状态，使A型电流(IA)的失活时间常数(τfast和τslow)增加。

研究还利用miniSOG光遗传学工具诱导辅因子氧化，发现短暂的蓝光照射可促使KVβ转变为NADP+结合状态，并引发睡眠增加，且其氧化状态可持续至少20分钟。这表明Hyperkinetic具有氧化还原记忆，即便脂质过氧化衍生的羰基化合物寿命较短（

为进一步验证PUFA衍生的羰基化合物在该过程中发挥作用，研究人员通过膜片钳技术向dFBNs内注入4-ONE或4-HNE。结果显示，仅4-ONE诱导了IA失活时间的延长，而4-HNE无明显影响。这表明4-ONE是DrosophilaHyperkinetic的主要底物，而非4-HNE。

并且，在Hyperkinetic-null突变体中，表达失活的Hyperkinetic(Hk(K289M))可消除4-ONE诱导的IA失活延长效应，进一步证明4-ONE通过KVβ的氧化还原活性作用于Shaker通道（图4）。

图4：脂质过氧化产物通过KVβ的活性位点改变IA的失活动力学

此外，研究还表明，羰基清除受损、光生ROS和合成4-ONE对IA的影响相似，但只有sni1突变或miniSOG光氧化增强了dFBNs对膜去极化的尖峰反应。4-ONE通过膜片电极传递到细胞体时没有这种效果，因为其扩散时间较长，而内源性脂质过氧化产物的释放可以在远离细胞体的神经元部分产生作用（图5）。

图 5：脂质过氧化产物通过轴突KVβ增加dFBNs的兴奋性

四.KVβ通道的氧化还原记忆及其电压调控机制

辅因子结合的稳定性表明，KVβ的氧化还原记忆是通过电压控制的。KVβ转变为NADP+结合状态的每一次转换都会留下持续多分钟的印记，类似于积累的睡眠压力。这种印记可以通过动作电位的电活动被抹去，从而释放NADP+并用NADPH替代。

在实验中，研究者通过两种配置进行测试：一种是通过miniSOG光生成RO，另一种是在细胞内溶液中加入50µM 4-ONE来加载KVβ与NADP+。结果表明，在实验开始10分钟后，快、慢失活时间常数的预期增加后，通过模拟的20分钟尖峰训练，每个“动作电位”为3ms的体内去极化到+10mV，30分钟后测量到的τfast和τslow完全恢复。恢复过程具有可逆性：当充满4-ONE的dFBNs保持在-80mV时，补丁管中的过量4-ONE再次增加了失活时间常数，而第二次9分钟的光照暴露对miniSOG表达细胞也有相同作用。偶尔，恢复协议将失活时间常数降低到原始基线以下，表明去极化不仅消除了由4-ONE或miniSOG施加的氧化应激，还消除了实验开始前已被通道复合物集成的内源性压力。与此一致的是，表达催化不活跃Hk(K289M)的dFBNs表现出最快的A型电流失活，并未受到4-ONE或后续电压变化的调节（图6）。

KV1通道的记忆能力是一种内在特性，除dFBNs外，其他神经元也具有此特性。研究表明，KVβ2与KV1.4的复合物在HEK-293细胞中也表现出类似的记忆效应。

图6：膜去极化清除脂质过氧化记忆

总结

本实验表明，KVβ亚基作为一种电压门控的记忆系统，通过氧化还原反应记录脂质过氧化事件。信息被存储在与烟酰胺分子结合的氧化状态中，尽管这个结合紧密，但反应周期中通过氢化物转移和烟酰胺交换来存取数据。虽然该研究未能完全证明睡眠剥夺导致广泛的脂质过氧化，但实验显示，脂质过氧化产物和它们的分解产物在睡眠剥夺后可能积累，KVβ通道内的氧化还原记忆是KV1通道的固有特性，并且该机制广泛存在于神经元和可激活细胞中。进一步分析表明，电压控制的兴奋性调节可能保护如大脑和心脏等高能耗、非再生细胞免受氧化损伤，并可能与睡眠调节密切相关。