Генетики заставили мышей плохо спать и с трудом просыпаться

Ученые получили мутантную линию мышей с затрудненным переходом между разными стадиями сна и бодрствования. Сложнее всего мышам перейти от медленной (NREM) фазы сна к быстрой (REM), говорится в статье, опубликованной в Science Advances. Всему причиной мутация в гене везикуло-ассоциированного мембранного белка VAMP2, приведшая к снижению эффективности передачи синаптического сигнала: везикулы с нейромедиаторами с вероятностью меньшей, чем у особей дикого типа, преодолевают пресинаптическую мембрану.

На сегодняшний день генетические механизмы регуляции перехода организма от стадии бодрствования к стадии медленного, а затем и быстрого сна все еще остаются слабо освещенными. Исследователи считают, что эти переходы в мозгу находятся под управлением сложного комплекса подкорковых ядер, но пока не изучена индивидуальная роль каждого компонента этого комплекса.

Патрик Нолан (Patrick M. Nolan) и его коллеги из Научно-инновационного центра Харуэлла вместе с сотрудниками Оксфордского университета методами прямой генетики получили мутантных мышей, которым сложно засыпать, просыпаться, а также переходить от одной фазы сна в другую. Для этого за поведением мышей, подверженных мутагенезу N-этил-N-нитрозомочевиной (ENU), наблюдали, ведя видеозапись, и выделили группу животных с общей родословной, в которой особо много беспокойных представителей (измеряли «степень спокойствия» в присутствии и отсутствии света). 

Эту группу мышей впоследствии назвали «restless» (rlss, MGI:5792085), а исследование их геномов показало наличие мутации в гене Vamp2, приведшей к аминокислотной замене Ile102Asn в трансмембранном домене кодируемого белка. Белок VAMP2 в нейронах играет ключевую роль в экзоцитозе везикул, содержащих нейротрансмиттеры, так как входит в комплекс белков, обеспечивающий слияние везикулярной и пресинаптической мембран. Мыши Vamp2^rlss, в отличие от своих собратьев дикого типа (WT), особенно плохо сохраняли спокойствие в первые 8 часов дневного времени (в присутствии света). 

Скрещивание rlss-мутантов с особями дикого типа (WT) показало, что мутация в гене Vamp2 является рецессивной: поведение гетерозиготных животных не отличалось от дикого типа, тогда как гомозиготы, подобно rlss-мутантам, значительно более подвижные в первые 7 часов дня и в последние 7 часов ночи. При этом мутантные мыши отличались и другими особенностями поведения: они не искали укромных мест в клетке и часто меняли положение во сне.

Однако отклонения наблюдались не только непосредственно в поведении животных, но и в их электрофизиологических показателях (ЭЭГ и ЭМГ). Ученые пришли к выводу, что электроэнцефалограмма и электромиограмма в целом типично отражают состояния бодрствования, фазу медленного и быстрого сна для всех особей, но при этом для Vamp2^rlss медленноволновая активность (0,5-4 Герц) в фазу медленного сна была более выражена, а в фазе быстрого сна исследователи отметили наличие более медленных тета-колебаний.

Примечательно, что в течение 24-часового периода в сравнении с особями дикого типа мутантные животные спали в среднем на 1,4 часа (14 процентов) меньше в фазе медленного сна и на 1,2 часа (57 процентов) меньше в фазе быстрого сна.

Авторы исследования также показали структурные изменения в синапсах мутантных животных. Вестерн-блот белков клеток гиппокампа, коры головного мозга и мозга целиком показал, что мутантный белок VAMP2 менее стабилен, чем дикого типа: в образцах его удалось обнаружить в относительно небольших количествах – от 25 до 65 процентов от контроля. Примечательно, что белок синтаксин 1a, обеспечивающий в комплексе с VAMP2 экзоцитоз везикул в нейронах, никак не пострадал.

Следующим стал вопрос о том, действительно ли мутация Vamp2^rlss влияет на эффективность синаптической связи. Чтобы это узнать, исследователи ввели в культуры клеток нейронов репортерные везикулярные белки sypHy. Этот белок состоит из трансмембранной части VAMP2 и присоединенного к ней домена рН-чувствительного флуоресцентного белка, погруженного внутрь везикулы. В кислом рН полости везикулы sypHy не флуоресцирует. Зато при экзоцитозе, то есть при нарушении везикулярной мембраны, sypHy оказывается в более высоком рН, где уже может флуоресцировать.

С помощью коротких вспышек высокочастотной стимуляции ученые смогли детектировать в гиппокампальных синапсах мышей пулы зрелых (готовых к экзоцитозу) везикул и смогли оценить среднюю вероятность высвобождения содержимого везикул для зрелых пулов в синапсах гиппокампа мышей дикого типа. Таким образом было обнаружено, что количество зрелых везикул и в синапсах мутантных особей, и дикого типа сопоставимо, а вот вероятность экзоцитоза в ответ на высокочастотную стимуляцию у везикул в синапсах мутантных особей гораздо ниже. Авторы полагают, что полученная линия мышей послужит модельным объектом для изучения процессов «переключения» организма млекопитающих между состояниями бодрствования, медленного и быстрого сна, а это, в свою очередь, может помочь в выяснении природы некоторых патологий.

Ранее мы уже писали о связи сна с другими заболеваниями. Например, беспокойный сон связывают с повышенной склонностью к развитию атеросклероза.

Наталия Миранда