圖片來源：Pixabay

　　本文為奇點(diǎn)原創(chuàng)文章（公眾號：geekheal_com）

　　2020 年世界睡眠日的主題是“Better Sleep, Better Life, Better Planet”（更好的睡眠，更好的生活，更好的星球），強(qiáng)調(diào)睡眠作為健康支柱的重要地位，并通過健康的睡眠可以改善生活質(zhì)量。在過去的幾十年中，人類探索影響睡眠的深層次原因的研究也走過了一段非比尋常的歷程。今天我們就來和大家一起回顧一下在睡眠——這一占據(jù)每個(gè)人1/3 生命的獨(dú)特生理現(xiàn)象的遺傳學(xué)研究歷程。

　　早期的睡眠遺傳學(xué)研究以往普遍認(rèn)為，健康的睡眠主要是受到文化、社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響，但是隨著遺傳學(xué)的出現(xiàn)及研究手段的進(jìn)步，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)基因遺傳因素同樣響著我們的睡眠時(shí)間和睡眠質(zhì)量。早在 1937 年開始，就有研究發(fā)現(xiàn)相比于異卵雙胞胎，同卵雙胞胎之間睡眠參數(shù)具有更高的一致性。科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多基因的突變或變異都與睡眠相關(guān)，因此人們逐漸意識到就像很多慢性病一樣，大部分睡眠障礙也屬于遺傳性疾病，準(zhǔn)確的說是復(fù)雜遺傳疾病。例如嗜睡癥，患有這種嗜睡癥的犬一旦興奮或者激動(dòng)，就會馬上入睡。當(dāng)發(fā)現(xiàn)最初病例呈現(xiàn)家系集中發(fā)病特點(diǎn)時(shí)，斯坦福大學(xué)的William C. Dement教授就堅(jiān)信這是一種基因相關(guān)的遺傳病。

　　William C. Dement教授 (右) 及和他研究患有嗜睡癥卡賓犬

　　全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）與睡眠研究

　　2001 年加拿大蒙特利爾大學(xué)的Guy Rouleau博士選擇了一個(gè)龐大的法裔加拿大的不寧腿綜合癥患者家系，采用微衛(wèi)星標(biāo)記連鎖分析的方法，第一次嘗試從全基因組角度分析睡眠障礙疾病領(lǐng)域的相關(guān)基因，但很遺憾的是沒能鑒別到特定基因。

　　直到全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)的大潮的來臨，不寧腿綜合征的研究才再次取得突破。全基因組關(guān)聯(lián)研究 ，最早通過 SNP 芯片對病例及對照樣本進(jìn)行全基因組范圍內(nèi)的 SNP 分析，再根據(jù)連鎖不平衡(Linkage Disequilibrium, LD) 關(guān)系，找到與性狀相關(guān)易感基因。迄今為止，人類的基因分型工作已經(jīng)確定了數(shù)千種基因變異與疾病或性狀之間的關(guān)聯(lián)，繪制出了群體內(nèi)部獨(dú)特變異的圖譜。基因芯片是評估人類基因組中已知標(biāo)記的理想平臺，使研究人員能夠在數(shù)百萬個(gè)標(biāo)記中發(fā)現(xiàn)單核苷酸多態(tài)性 (SNP) 或較大的結(jié)構(gòu)變化。

　　Kári Stefánsson – 冰島 deCODE Genetics 公司 CEO 2006 年 5 月，deCODE Genetics的遺傳學(xué)家Kári Stefánsson帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)借助 illumina 31 萬個(gè) SNP 的基因芯片分析了近 16,000 名冰島人的基因組分型數(shù)據(jù)，其中包括 306 名不寧腿綜合癥患者。該項(xiàng)研究最終通過全基因組關(guān)聯(lián)系分析 (GWAS) 找到BTBD9基因變異與病癥存在顯著相關(guān)性，并且他們隨后在The New England Journal of Medicine發(fā)表的文章中報(bào)道，根據(jù)這項(xiàng)研究統(tǒng)計(jì)BTBD9基因變異占?xì)W洲的不寧腿綜合征患者數(shù)量的 50% 左右。巧合的是，與此同時(shí)德國慕尼黑的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了BTBD9這個(gè)基因與疾病的相關(guān)性。兩項(xiàng)研究發(fā)表后，Science期刊都將兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究成果評價(jià)為不寧腿綜合征研究“向前邁進(jìn)的重要一步”。早期——源于消費(fèi)級基因檢測的群體睡眠研究 GWAS 首次成功用于不寧腿綜合癥研究，極大鼓舞了全球范圍內(nèi)從事睡眠障礙研究的科學(xué)家們，包括嗜睡癥、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥等一系列研究紛紛取得突破。與此同時(shí)，隨著消費(fèi)級基因檢測的興起，23andMe 借助基于全基因組測序數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的更高密度 SNP 位點(diǎn)的基因芯片，這一極具性價(jià)比的分析工具，來完成大規(guī)模消費(fèi)者基因檢測與解讀，并加以整理分析利用，進(jìn)而助力健康研究以及生物醫(yī)藥創(chuàng)新。也正因?yàn)槿绱耍?NGS 成為基因組學(xué)主流研究手段的今日，SNP 芯片依然是各類大型群體遺傳學(xué)項(xiàng)目的重要研究工具。

　　2016 年，23andMe利用其龐大的客戶 DNA 數(shù)據(jù)庫，對超過 8.9 萬個(gè)人的遺傳數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了一項(xiàng)大型針對晨型人（Morningness，即習(xí)慣早起人群）全基因關(guān)聯(lián)研究，確定了 15 個(gè)與習(xí)慣早起的人群顯著相關(guān)的基因位點(diǎn)，而且發(fā)現(xiàn)了其中有 7 個(gè)是先前被確定在晝夜節(jié)律中起關(guān)鍵作用的基因。23andMe 調(diào)查的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：60 歲以上的老人更習(xí)慣早起；早起的人發(fā)生失眠或嗜睡的幾率更小；與那些習(xí)慣熬夜的人相比，早起的人患有抑郁癥的風(fēng)險(xiǎn)也更低。在對年齡和性別數(shù)據(jù)進(jìn)行校正后還發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣早起的人比習(xí)慣熬夜的“夜貓子”身體質(zhì)量指數(shù) (BMI) 更加接近健康水平。

　　習(xí)慣早起的人群 GWAS 曼哈頓圖

　　NGS 時(shí)代的睡眠多組學(xué)（Multi-Omics）研究

　　隨著新一代測序技術(shù)（NGS)的成本逐年下降，研究人員能夠探究與任何生物的基因組、轉(zhuǎn)錄組或表觀基因組相關(guān)的幾乎所有問題。無論是大規(guī)模全基因組測序，單細(xì)胞測序，表觀遺傳學(xué)還是微生物宏基因組研究，目前花樣繁多的 NGS 測序方法被應(yīng)用到了人類健康的研究的方方面面，尤其在針對群體型樣本的大規(guī)模研究中。在 2019 年，23andMe再次和 UK BioBank合作了迄今為止最大的失眠相關(guān)基因組研究項(xiàng)目，涉及樣本高達(dá) 133 萬，含蓋多個(gè)種群。通過這項(xiàng)有史以來最大規(guī)模的失眠 GWAS 研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn) 202 個(gè)基因位點(diǎn)與夜晚失眠顯著密切相關(guān)。與此同時(shí)，這次大規(guī)模群體遺傳學(xué)的樣本優(yōu)勢，也為進(jìn)一步解釋 GWAS 所發(fā)現(xiàn)的 SNP 位點(diǎn)與失眠相關(guān)性提供了依據(jù)，并通過對 GWAS 發(fā)現(xiàn)的 SNP 的效應(yīng)值以及 Meta 分析，作者建立針對失眠的多基因風(fēng)險(xiǎn)評分（Polygenic Risk Score）模型，來實(shí)現(xiàn)對人群中的失眠癥患者給予更好的預(yù)測，并將睡眠障礙與其他一系列精神類障礙進(jìn)行了關(guān)聯(lián)研究。

　　失眠與其他睡眠相關(guān)的精神和代謝特征遺傳性重疊

　　借助對模式動(dòng)物小鼠的單細(xì)胞 RNA 轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對這些遺傳變異的廣泛功能注釋，最終將失眠的遺傳因素指向了與運(yùn)動(dòng)行為密切相關(guān)的基因，在腦中的屏狀核、下丘腦、紋狀體和中型多棘神經(jīng)元這些特定的神經(jīng)元細(xì)胞類型中，失眠相關(guān)基因都存在特異性表達(dá)的情況。

　　2019 年 11 月，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Susan Redline教授分析了美國 TOPMed 項(xiàng)目的 487 人全基因組測序（WGS）數(shù)據(jù)。通過定位之前在 132 個(gè)家系中具有連鎖分析證據(jù)的染色體 8p23 上基因區(qū)域，他們發(fā)現(xiàn)在DLC1基因中就有 57 個(gè) SNP 位點(diǎn)會影響到睡眠期間的體內(nèi)血氧水平。這項(xiàng)研究是基于該課題組以往大量生物樣本基因分型的工作積累之上展開的，在 GWAS 和家系連鎖分析數(shù)據(jù)的指引下，即使較少數(shù)量的全基因組測序數(shù)據(jù)，也能夠識別出復(fù)雜性狀相關(guān)的特定罕見低頻變異。通過反向變量加權(quán)評估和孟德爾回歸分析，作者利用 GTEx 數(shù)據(jù)庫中的DLC1變異位點(diǎn)構(gòu)建孟德爾隨機(jī)化 (Mendelian randomization)分析方法，結(jié)果說明成纖維細(xì)胞的DLC1基因修飾方式與睡眠時(shí)血氧水平變化之間存在潛在的因果關(guān)系。遺傳變異、基因表達(dá)和甲基化等多實(shí)驗(yàn)也都支持DCL1與睡眠期間的平均動(dòng)脈血氧飽和度的相關(guān)性。

　　克利夫蘭家系研究中 8 號染色體上與平均動(dòng)脈血氧飽和度的連鎖證據(jù)

　　鑒于微生物種群在與睡眠障礙相關(guān)疾病發(fā)生中的相關(guān)作用，人們對腸道微生物種群與睡眠相互影響的興趣日益增加。已經(jīng)有 16S 微生物測序的研究表明，由作息時(shí)間節(jié)律紊亂會引起影響人類腸道菌群功能及其相互作用。但要為臨床干預(yù)相關(guān)疾病進(jìn)行可能的微生物療法提供依據(jù)，還需要更大規(guī)模的長期干預(yù)實(shí)驗(yàn)和更多實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)的支持。

　　2018 年，Achim Kramer和他的同事利用機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)了一種稱為 BodyTime 的診斷工具，該方法從血樣中采集血液單核細(xì)胞的 RNA 轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)來確定個(gè)體的即時(shí)晝夜節(jié)律，再根據(jù)患者的晝夜節(jié)律生物鐘表型診斷而改善患者的睡眠質(zhì)量，并提供個(gè)性化醫(yī)學(xué)診斷和藥物治療的輔助功能。

　　同樣也有研究者將目光聚焦在了表觀遺傳學(xué)層面。婦女健康倡議研究 (Women’s Health Initiative) 和動(dòng)脈粥樣硬化多種族研究 (Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis) 大型前瞻性隊(duì)列研究體內(nèi)血液全基因組 DNA 甲基化水平發(fā)現(xiàn)，失眠和作息時(shí)間紊亂會加速女性的體內(nèi)表觀遺傳年齡衰老，從而影響體內(nèi)免疫系統(tǒng)功能，引發(fā)多種疾病對身體健康造成不利影響。

　　展望近年來，還有很多上述未提及的遺傳學(xué)大型隊(duì)列的研究讓我們對睡眠相關(guān)遺傳疾病發(fā)生的分子機(jī)制有了更深入的理解。由于在我們現(xiàn)代社會中社交時(shí)差，工作換班，晨起和熬夜引起晝夜節(jié)律失調(diào)已經(jīng)相當(dāng)普遍。如要準(zhǔn)確評估睡眠障礙相關(guān)基因變異與實(shí)際睡眠質(zhì)量之間的關(guān)系，還有許多非遺傳因素需納入考慮，所以多組學(xué)研究將是未來的睡眠研究必經(jīng)之路。隨著基因組學(xué)檢測技術(shù)成本降低以及各類群體遺傳學(xué)項(xiàng)目所帶來的豐富樣本資源，諸如表觀基因組關(guān)聯(lián)分析以及空間轉(zhuǎn)錄組等新興技術(shù)將會進(jìn)一步幫助人類來解鎖睡眠健康的奧秘。參考資料：

　　1. Lin, L.， 1999. The Sleep Disorder Canine Narcolepsy Is Caused by a Mutation in the Hypocretin (Orexin) Receptor 2 Gene.Cell, 98(3)， pp.365-376.

　　2. Desautels, A.， 2001. Identification of a Major Susceptibility Locus for Restless Legs Syndrome on Chromosome 12q.The American Journal of Human Genetics, 69(6)， pp.1266-1270.

　　3. Stefansson, H.， 2007. A Genetic Risk Factor for Periodic Limb Movements in Sleep.New England Journal of Medicine, 357(7)， pp.639-647.

　　4. Winkelmann, J.， 2007. Genome-wide association study of restless legs syndrome identifies common variants in three genomic regions.Nature Genetics, 39(8)， pp.1000-1006.

　　5. Mignot, E.， 2007. A step forward for restless legs syndrome.Nature Genetics, 39(8)， pp.938-939.

　　6. Hu, Y.， 2016. GWAS of 89,283 individuals identifies genetic variants associated with self-reporting of being a morning person.Nature Communications, 7(1).

　　7. Liang, J.， 2019. Sequencing Analysis at 8p23 Identifies Multiple Rare Variants in DLC1 Associated with Sleep-Related Oxyhemoglobin Saturation Level.The American Journal of Human Genetics, 105(5)， pp.1057-1068.

　　8. Liu, Z.， 2020. Acute Sleep-Wake Cycle Shift Results in Community Alteration of Human Gut Microbiome.mSphere, 5(1).

　　9. Wittenbrink, N.， 2018. High-accuracy determination of internal circadian time from a single blood sample.Journal of Clinical Investigation, 128(9)， pp.3826-3839.

　　10. Carroll, J.， Irwin, M.， Levine, M.， Seeman, T.， Absher, D.， Assimes, T. and Horvath, S.， 2017. Epigenetic Aging and Immune Senescence in Women With Insomnia Symptoms: Findings From the Women’s Health Initiative Study.Biological Psychiatry, 81(2)， pp.136-144.

　　11. Li, X.， 2019. Association between sleep disordered breathing and epigenetic age acceleration: Evidence from the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis.EBioMedicine, 50, pp.387-394.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的困成狗？谈谈睡眠研究的遗传发现之旅的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。