秀丽隐杆线虫昏睡期的发育性睡眠与代谢稳态及对感染可遗传的适应反应相关

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Developmental sleep during lethargus is associated with metabolic homeostasis and heritable adaptive responses to infection in Caenorhabditis elegans

　　

• 发育性定时睡眠（DTS）中断与秀丽隐杆线虫代谢稳态的改变相关。
• DTS中断与ATP水平降低及AMPK激活相关，提示能量稳态发生改变。
• 发育性睡眠中断后可观察到cAMP-CREB信号通路发生改变。
• DTS中断可能影响对伤寒沙门氏菌感染的可遗传抗性。
• 发育性睡眠可能参与代谢及可遗传的适应性应激反应。

**引言**

睡眠是一种高度保守的生理状态，在跨物种中协调神经功能、代谢调节和应激抗性。这一进化上保守的现象不仅在脊椎动物中发挥重要的调控作用，在无脊椎动物如果蝇和秀丽隐杆线虫中也同样如此，其中睡眠状态执行与哺乳动物睡眠类似的功能（Singh et al., 2014; Kayser and Biron, 2016; Dubowy and Sehgal, 2017）。在秀丽隐杆线虫中，睡眠状态出现在迟缓期转换阶段（发育性定时睡眠/DTS）以及细胞和病原体应激期间（应激诱导睡眠/SIS），作为一种适应性反应以维持机体稳态并减少病原体摄入（Trojanowski and Raizen, 2016; Hill et al., 2014; Zhang et al., 2023）。秀丽隐杆线虫的迟缓期被确立为一种DTS状态，其特征是行为静止、对感觉刺激反应降低、进食停止以及神经调节控制改变，反映了跨物种生理睡眠行为的根本方面（Raizen et al., 2008）。不同的分子通路调控DTS和SIS，两者均依赖于整合的神经肽信号、转录调节因子和神经重塑调控（Trojanowski et al., 2015; Watteyne et al., 2024）。

在秀丽隐杆线虫中，多种神经肽和神经调节通路在调节睡眠和觉醒中发挥核心作用。色素分散因子（PDF）是一种参与促进觉醒的神经肽，pdf-1缺失或其受体pdfr-1缺失会增加DTS期间的运动静止并最小化感觉反应性（Choi et al., 2013）。表皮生长因子受体（EGFR）信号跨物种在睡眠调节中也发挥重要作用，其激活通过减少运动和进食来诱导DTS（Buskirk and Sternberg, 2007）。细胞内信号通路如cAMP-PKA-CREB轴参与调节神经元觉醒状态，据报道cAMP信号增强可促进觉醒和增强警觉性（Wimmer et al., 2021）。cGMP依赖性蛋白激酶egl-4（PKG）促进行为静止，EGL-4水平降低会减少睡眠行为（Raizen et al., 2006; 2008）。RIS中间神经元是一种专一的睡眠活性、促睡眠神经元，其活性对于通过AP2转录因子APTF-1和神经肽信号在迟缓期诱导行为静止是必需的（Turek et al., 2013）。一种由RIS神经元分泌的促睡眠神经肽FLP-11，在秀丽隐杆线虫中通过受体DMSR-1发挥作用，诱导并自我限制睡眠，表明睡眠调节中存在精密的反馈环路（Turek et al., 2013; Rossi et al., 2025）。编码γ-氨基丁酸（GABA）合成所必需的谷氨酸脱羧酶的unc-25基因，通过促进抑制性神经传递来促进静止。该基因负向调控由谷氨酸和神经肽等兴奋性神经递质介导的神经元觉醒通路（Jin et al., 1999; Choi et al., 2015）。

此外，睡眠与细胞能量状态和代谢稳态密切相关。KIN-29是一种盐诱导激酶同源物，它将细胞能量不足的信号转导为睡眠相关的静止状态，从而将生理睡眠稳态与细胞能量感知联系起来（Grubbs et al., 2020）。此外，AMP激活蛋白激酶（AMPK）和DAF-16介导的胰岛素信号通路等代谢调节因子基本整合了能量平衡与行为状态（Chikahisa and Sei, 2011; Dworak et al., 2010; Porkka-Heiskanen and Kalinchuk, 2011; Ze?i? and Braeckman, 2020）。在能量匮乏期间，可通过DAF-2/DAF-16胰岛素/IGF-1信号（IIS）通路诱导睡眠相关的静止，凸显了睡眠作为在代谢应激期间保存能量的适应性策略（Skora et al., 2018）。重要的是，DAF-16/FOXO已被证明可直接调节迟缓期期间的睡眠稳态：在迟缓期强迫运动可诱导DAF-16核转位，而daf-16突变体表现出睡眠稳态恢复受损和对睡眠剥夺的敏感性增高（Driver et al., 2013）。除了睡眠，DAF-16是秀丽隐杆线虫中应激反应、免疫和长寿的核心调节因子。

睡眠中断在高哺乳动物系统中与代谢失调的相关性日益受到关注，其中慢性睡眠紊乱通过增强交感神经活动、褪黑素缺乏和昼夜节律基因调节而加重血脂异常、脂肪组织失调和胰岛素抵抗（Ratwani et al., 2025; Philippe et al., 2025; Tonet et al., 2024）。尽管这些发现表明睡眠丧失与代谢紊乱之间存在明确联系，但调节这些睡眠依赖性代谢调节的进化保守分子机制尚未得到充分研究。此外，脂质代谢通路在秀丽隐杆线虫能量储存和动员的调控中发挥关键作用，其中核受体参与脂肪储存和利用（An et al., 2023）。

睡眠在免疫和缓解炎症中的作用已得到充分研究（Feuth, 2024）。但睡眠丧失对后代适应度和代谢状态产生可遗传影响的研究尚未展开。通过非遗传机制将亲本生理体验传递给后代，从而改变生理稳态健康，正逐渐成为一个重要的应激生物学范式（Bowers et al., 2016; Jawaid et al., 2021; Zhang et al., 2022; Baugh and Day, 2020）。此前，我们在秀丽隐杆线虫中报告了亲本接触伤寒沙门氏菌感染可通过DAF-16介导的IIS通路调控后代免疫，增强后代在伤寒沙门氏菌感染后的存活率（Mounish et al., 2025a）。睡眠相关调控是否在后代适应性免疫启动中发挥作用，以及DTS中断是否减弱可遗传抗性，是睡眠生物学中一个关键的未解问题。

在本研究中，我们利用秀丽隐杆线虫模式系统试图填补这一知识空白，探讨迟缓期发育性睡眠中断是否与代谢、神经信号和适应性反应改变相关。通过在迟缓期窗口使用压电蜂鸣器诱导的机械刺激，我们研究了与行为静止中断相关的生理后果，包括脂质代谢调控、线粒体功能、AMPK介导的能量感知、cAMP-CREB依赖性神经信号以及对伤寒沙门氏菌感染的适应性应激反应的影响。我们的发现表明，与迟缓期相关的DTS不仅仅是一段活动减少的时期，更是一个与能量代谢和可遗传适应性反应巩固相关的重要生理阶段。

**章节片段**

**材料与方法**

**秀丽隐杆线虫和细菌的饲养：** 秀丽隐杆线虫N2 Bristol野生型品系购自美国明尼苏达大学线虫遗传中心（CGC）。秀丽隐杆线虫的常规饲养使用大肠杆菌OP50作为实验室食物，线虫在20°C的线虫培养基（NGM）上培养。实验在同步化后进行，即将携带卵的有孕成虫用含有5 M碱性次氯酸钠溶液裂解。

**秀丽隐杆线虫迟缓期阶段发育性定时睡眠的时间特征化和机械中断验证**

为了确定与迟缓期相关的睡眠时期以进行中断实验，我们首先在实验室条件下表征了DTS状态。在20°C培养漂白的胚胎后，观察到迟缓期阶段分别出现在去卵后25至27小时（L1至L2阶段转换期间）；33至35小时（L2至L3幼虫转换期间）；43至45小时（L3至L4幼虫转换期间）；以及55至57小时（L4至年轻成虫（YA）生长转换期间）（图1）。

**L4-YA迟缓期DTS机械中断后观察到cAMP-CREB的改变**

鉴于在L4-YA DTS期间机械中断观察到关键睡眠调控基因egl-4的表达发生改变，而该基因与神经信号传导相关，我们希望评估其对与CREB介导的转录调控相关的下游神经信号通路的影响。egl-4编码一种cGMP依赖性蛋白激酶（PKG），它位于cAMP-CREB信号通路的上游，该通路与神经可塑性和记忆相关（Raizen et al., 2006; 2008）。

**讨论**

睡眠是一种进化保守的生理和行为状态，对于跨类群维持生理稳态至关重要（Singh et al., 2014; Kayser and Biron, 2016; Dubowy and Sehgal, 2017）。在秀丽隐杆线虫中，迟缓期转换阶段发生的发育性定时睡眠（DTS）以反复的静止发作（QB）为特征，其特点包括蜕皮、感觉反应性降低和特征性姿势（Singh et al., 2013; Trojanowski et al., 2016）。虽然

**临床试验编号**

不适用

**CRediT作者贡献声明**

Bynedi Seshadhri Chinna Mounish：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、方法、调查、形式分析、数据管理、概念化。Ramesh Anand：方法、调查、形式分析。Kannan Srilekha：方法、调查、形式分析。Krishnaswamy Balamurugan：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、监督、方法、形式分析、数据管理、概念化。

**未引用参考文献**

Van Buskirk and Sternberg, 2007; Chikahisa and Séi, 2011; Bowers and Yehuda, 2016; Zhang and Tian, 2022; Olofsson and de Bono, 2008; Balamurugan, 2026; Stee and Peigneux, 2021; Nagy et al., 2014; Nagy et al., 2014。

**利益冲突**

作者声明不存在利益冲突。

**数据与材料可用性**

本研究的当前数据可供合理要求下向通讯作者获取。

**资金支持**

本工作得到了印度科技部（DST）科学和工程研究委员会（SERB）核心研究资助（CRG）计划（资助编号：CRG/2021/000914）的支持。

**利益冲突声明**

作者声明不存在利益冲突。

**致谢：**

作者感谢由美国国立卫生研究院资助的线虫遗传中心提供秀丽隐杆线虫品系。作者感谢DST-SERB（CRG/2021/000914）的经费支持以开展研究工作。作者还感谢印度地球科学部深海任务（Deep Ocean Mission, MoES）[编号：MoES/PAMC/DOM/56/2023 (E12932)]对BSCM提供的 fellowship 形式经济援助，以及RUSA 2.0、ITC-LSTC和CMRG-Tamil Nadu提供的部分资金。

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