脂肪体分泌的神经肽CCHa2通过信号传递至脑部胰岛素产生细胞促进睡眠

《Genes, Brain and Behavior》：The Fat-Body Secreted Neuropeptide CCHa2 Signals Insulin-Producing Cells in the Brain to Promote Sleep

　　

睡眠是一种受多种环境和生理线索调控的基本行为。尽管中枢睡眠调控机制已被详细研究，但关于外周营养信号如何传递给大脑以调节睡眠的了解却少得多。本研究进行了一项靶向RNAi筛选，针对脂肪体中富集且受进食状态调控的基因，以鉴定在脂肪体中发挥功能以调控果蝇睡眠的基因。该分析发现，脂肪体特异性敲低CCHa2可显著减少已进食果蝇的睡眠时长和睡眠深度，模拟了饥饿果蝇的睡眠表型。CCHa2缺陷型果蝇表现出糖原储备减少和摄食驱动力下降。单细胞转录组图谱分析证实，CCHa2受体（CCHa2-R）选择性表达于果蝇脑部的胰岛素产生细胞（IPCs）中。研究发现，在IPCs中敲低CCHa2-R可重现CCHa2突变体的睡眠缺失表型，支持其在脂肪-脑信号传导中的作用。通过对单细胞图谱中鉴定为IPCs富集的基因进行进一步筛选，发现了众多在IPCs中发挥功能以调控睡眠的基因，包括wnt和胰岛素信号的调节因子。综上所述，这些发现揭示了一个脂肪体-IPC轴，它是睡眠时长和强度的关键调节因子。

研究背景与科学问题

睡眠是维持脑功能、免疫应答、生理活动和记忆等基本生物过程的关键行为。动物会根据光照、饮食、温度、压力和社会互动等多种环境因素调整睡眠时长和节律。越来越多的证据表明，不同情境下的睡眠由不同的细胞过程调控。其中，代谢对睡眠的调控尤为重要——果蝇、啮齿动物和人类在食物匮乏时均会抑制睡眠或降低睡眠质量。代谢调控涉及脑中感知循环营养变化的神经元，而外周器官（尤其是脂肪组织）发出的信号也强烈影响睡眠。脂肪组织不仅通过能量储存的代谢控制来调节饥饿诱导的行为，还通过分泌因子调控行为的神经控制。然而，脂肪组织与大脑之间的通讯机制在很大程度上尚不清楚。

果蝇的脂肪体是哺乳动物脂肪组织的功能类似物，是糖原和甘油三酯储存的主要场所，在能量稳态控制中处于核心地位。已有研究表明脂肪体中的多个基因（如脂滴相关脂肪酶Brummer、嘌呤合成通路成员Ade2等）的突变会改变睡眠调控。基于此，研究人员开展了本项研究，旨在通过靶向筛选脂肪体中受进食状态调控且预测为分泌性的基因，系统鉴定脂肪体来源的睡眠调控因子，阐明外周营养信号如何经脂肪体传递至大脑以调节睡眠。

研究方法概述

研究人员采用遗传筛选策略，利用脂肪体特异性驱动子CG-GAL4，对81个候选基因进行RNAi敲低，并通过果蝇活动监测系统（DAMS）记录和分析睡眠行为。随后运用隐马尔可夫模型（HMM）量化睡眠深度，采用果蝇觉醒阈值（DART）测定系统评估机械刺激下的觉醒阈值。代谢方面，通过比色法测量糖原、游离葡萄糖和甘油三酯水平，采用口器伸展反射（PER）实验评估摄食倾向，并使用蓝染料摄食测定法量化食物摄入量。在细胞层面，整合多个果蝇单细胞转录组图谱分析CCHa2及其受体的表达模式，并利用ilp2-GAL4驱动子在胰岛素产生细胞（IPCs）中进行靶向RNAi筛选。

研究结果

1. 脂肪体CCHa2敲低导致睡眠缺失

通过81个基因的RNAi筛选，共鉴定出19个RNAi系睡眠显著减少，7个RNAi系睡眠显著增加。研究人员重点关注编码食欲调控神经肽的CCHa2基因。两条独立的CCHa2 RNAi系在脂肪体特异性敲低后均导致总睡眠时间显著减少，白天睡眠尤为明显。使用r4-GAL4和ppl-GAL4等其他脂肪体驱动子验证，一致确认了脂肪体CCHa2促进睡眠的作用。

2. CCHa2敲低降低睡眠深度

HMM分析显示，CCHa2敲低果蝇的清醒概率P(Wake)升高，而打盹概率P(Doze)降低。DART测定发现，两条RNAi系的觉醒阈值在白天和夜间均显著低于对照组。此外，长睡眠回合（≥25分钟）的分析也证实深睡眠显著减少，共同证明睡眠强度下降。

3. CCHa2敲低影响代谢和行为反应

代谢检测显示，在进食条件下CCHa2敲低果蝇的糖原储备显著减少。饥饿诱导的睡眠抑制实验中，对照果蝇在饥饿时睡眠减少，而CCHa2敲低果蝇未表现出饥饿诱导的睡眠抑制。PER实验表明，在20 mM蔗糖浓度下，CCHa2敲低果蝇的口器伸展反射增强，但在高浓度下无差异。蓝染料摄食测定发现，饥饿状态下CCHa2敲低果蝇的食物摄入量反而减少，提示脂肪体CCHa2参与饥饿诱导的摄食增加。

4. CCHa2-R在IPCs中敲低减少睡眠

单细胞转录组图谱分析确认CCHa2在脂肪体高表达，而其受体CCHa2-R主要在脑部胰岛素产生细胞（IPCs）中表达。泛神经元（nSyb-GAL4）和IPC特异性（ilp2-GAL4）敲低CCHa2-R均显著减少睡眠，重现了脂肪体CCHa2敲低的表型。HMM和DART分析进一步证实，IPC中CCHa2-R敲低导致觉醒概率升高、睡眠概率降低、觉醒阈值下降。而在多巴胺神经元（TH-GAL4）中敲低则无效应，表明CCHa2信号通过IPCs特异性地调控睡眠。

5. IPC中高表达基因的筛选

基于单细胞数据，研究人员筛选了40个在CCHa2-R阳性IPCs中高表达的基因。在ilp2-GAL4驱动下敲低这些基因，发现10个基因导致睡眠减少，包括已知的睡眠促进因子ilp2和ilp3，以及Wnt信号抑制剂naked cuticle（nkd）、胰岛素样生长因子II mRNA结合蛋白imp、同源盒转录因子ey和细胞黏附分子beaten path 1b（beat-1B）等新鉴定基因。

讨论与结论

本研究通过系统的脂肪体靶向筛选，鉴定出CCHa2作为一种关键的脂肪体来源信号，作用于脑部IPCs以促进睡眠。这一发现揭示了脂肪体-脑轴的新通讯机制，补充了此前关于upd2/JAK-STAT通路在脂肪-脑通讯中作用的认识。CCHa2作为哺乳动物铃蟾肽和内皮素家族神经肽的直系同源物，其功能可能具有跨物种的保守性。

研究结果表明，CCHa2从脂肪体释放后，通过作用于IPCs上的CCHa2-R，调控ILPs的释放进而影响睡眠。IPCs作为营养状态和睡眠调控的中枢整合者，接收来自LHLK神经元和脂肪体等多方面的输入。值得注意的是，CCHa2敲低果蝇同时表现出增强的味觉敏感性和减少的总摄食量，提示CCHa2对不同觅食行为组分的影响具有复杂性。

结论：脂肪体分泌的神经肽CCHa2通过信号传递至脑部胰岛素产生细胞，促进睡眠时长和深度。这一脂肪体-脑轴的发现为理解外周组织如何将营养状态信息传递至大脑以调控行为提供了重要见解，对阐明代谢状态与睡眠调控之间的联系具有广泛意义。