D-丝氨酸通过脑肠轴调控睡眠剥夺诱导的肠道活性氧积累机制研究

睡眠剥夺(SD)导致肠道活性氧(ROS)积累的机制尚不明确。本研究通过果蝇模型发现，肠道细胞(ECs)产生的D-丝氨酸(d-Ser)通过N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR1)信号通路调控线粒体氧化磷酸化和过氧化物酶体脂代谢，最终导致ROS积累。该研究揭示了脑肠轴在睡眠稳态中的关键作用，为防治睡眠障碍相关疾病提供新靶点。

　　

现代社会中，睡眠障碍已成为威胁公众健康的重要问题。长期睡眠剥夺不仅导致认知功能下降，更会引发肠道活性氧(ROS)异常积累，但其分子机制始终是未解之谜。中国脑科学研究所的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表重要成果，通过多学科交叉研究，首次揭示D-丝氨酸(d-Ser)通过脑肠轴调控睡眠剥夺诱导的肠道氧化应激的全新机制。

研究采用果蝇模型，结合遗传学操作、光遗传学、代谢组学等技术手段。通过构建SR(丝氨酸消旋酶)和DAAO(D-氨基酸氧化酶)基因敲除品系，利用热激活通道TrpA1和机械振动建立睡眠剥夺模型，采用钙依赖性转录报告系统(CaLexA)监测细胞活性，并运用液相色谱-质谱联用技术进行代谢组分析。

肠道ROS积累依赖SR表达但被DAAO加剧
研究发现SR敲除(SRko)果蝇在睡眠剥夺后肠道ROS未积累且寿命延长，而DAAO敲除(DAAOko)果蝇ROS显著增加。通过组织特异性回补实验证实，肠道而非脑部SR表达是ROS积累的关键因素。

治疗与代谢分析支持肠道d-Ser作用
外源补充d-Ser可恢复SRko果蝇的ROS表型。代谢组学显示SD显著上调肠道SR和DAAO mRNA水平，形成d-Ser代谢循环。负趋地性实验表明d-Ser缺失能维持神经肌肉功能。

夜间EC激活依赖肠道SR产生ROS
光遗传学刺激发现，仅在睡眠需求高峰期(ZT12-ZT16)激活肠道SR表达细胞才会引起ROS积累，且需依赖NMDAR1信号。钙成像显示睡眠剥夺持续激活肠道细胞。

肠道整合GABA和胆碱能信号合成d-Ser
RNAi筛选发现背扇形体(dFB)神经元通过γ-氨基丁酸(GABA)信号作用于肠道GABA-B-R1受体。同时肠道乙酰胆碱受体也参与调控，形成多神经递质整合机制。

d-Ser通过NMDAR1调控肠道ROS
NMDAR1敲除可逆转DAAOko导致的ROS积累。激活标记dFB神经元的R72G06LexA驱动子引发的促睡眠效应需要NMDAR1参与，证实脑肠信号反馈环路的存在。

异常d-Ser影响TCA循环和过氧化物酶体代谢
代谢组学分析揭示，d-Ser通过增加丙酮酸库增强线粒体三羧酸循环(TCA)，同时损害过氧化物酶体脂代谢。MPC抑制剂UK-5099处理可阻断ROS积累，证实线粒体丙酮酸转运是关键环节。

这项研究首次阐明睡眠剥夺通过脑肠轴引发代谢紊乱的完整机制：睡眠稳态神经元释放GABA等神经递质激活肠道细胞，促使SR催化产生过量d-Ser；这些d-Ser一方面通过NMDAR1反馈调节睡眠需求，另一方面通过增强线粒体氧化磷酸化和干扰过氧化物酶体功能导致ROS积累。该发现不仅为理解睡眠障碍与肠道疾病的关联提供理论依据，更提示调节d-Ser代谢或靶向MPC可能成为防治睡眠相关代谢性疾病的新策略。研究采用的跨尺度研究方法——从神经环路到代谢调控——为脑肠轴研究建立了范式，对神经退行性疾病、精神障碍等多种病症的机制探索具有重要启示。