Nature | 脂质过氧化如何驱动睡眠调控

摘要：电压门控钾通道（KV通道）是细胞膜上的一类重要蛋白质，能够控制钾离子跨越细胞膜流动，这种离子流动可以改变细胞的膜电位，从而影响神经元、肌肉细胞和其他兴奋性细胞的活动【1】。其中，在KV1和KV4家族中，成孔的（pore-forming）α亚基与非膜整合的β亚基

撰文 | 阿童木

电压门控钾通道（KV通道）是细胞膜上的一类重要蛋白质，能够控制钾离子跨越细胞膜流动，这种离子流动可以改变细胞的膜电位，从而影响神经元、肌肉细胞和其他兴奋性细胞的活动【1】。其中，在KV1和KV4家族中，成孔的（pore-forming）α亚基与非膜整合的β亚基能够协同作用，共同调节神经兴奋性活动【2】。尽管β亚单位的序列与醛酮还原酶高度相似，依赖NADPH催化羰基还原，但其体外活性微弱，且体内功能尚不明确。

在果蝇中，KV1通道Shaker及其β亚基Hyperkinetic可作用于中央脑的睡眠控制神经元（dFBNs），对于维持正常的睡眠水平都是必需的【3】。清醒时，线粒体电子传递链泄漏的活性氧（ROS）将Hyperkinetic的NADPH辅因子氧化为NADP+，延长A型电流（IA）的失活时间，增强dFBNs放电频率，从而编码睡眠需求。然而，ROS如何传递信号尚不清楚。由于NADPH并非ROS直接靶标，有假设认为ROS可能通过诱导膜脂过氧化生成羰基化合物（如4-ONE），后者作为Hyperkinetic的底物。这一假设与KV1.2–β2复合物晶体结构中未解析的疏水电子密度相符。尽管Hyperkinetic能还原脂质过氧化产物，其低催化效率提示其功能并非清除毒性代谢物，而是通过NADP(H)的紧密结合存储氧化应激信号，形成动态记忆。

2025年3月19日，牛津大学Gero Miesenböck实验室等在

Nature杂志发表了题为Sleep pressure accumulates in a voltage-gated lipid peroxidation memory的研究文章，揭示了果蝇KV1通道β亚基（Hyperkinetic）通过其NADPH辅因子的氧化状态形成动态脂质过氧化记忆。当脂质衍生的羰基化合物氧化NADPH为NADP+时，信息被记录，并在膜去极化时释放NADP+，替换为NADPH；而促睡眠神经元利用此机制编码“脂质过氧化历史”，影响睡眠并通过尖峰放电擦除记忆。本研究不仅阐明了KV通道β亚单位的功能，还为睡眠与氧化应激的联系提供了分子依据，提示睡眠可能在神经保护中扮演关键角色。

为探究氧化应激的空间效应，研究团队采用高分辨率扫描微探针基质辅助激光解吸/电离质谱成像（SMALDI-MSI），对比了休息和睡眠剥夺状态下果蝇脑的脂质分布。结果显示，两状态下脂质谱差异显著，睡眠剥夺后51种甘油磷脂水平发生显著变化，其中18种经质谱验证与脂肪酸组成相关。休息时，大脑富含长链、高不饱和度的磷脂，而睡眠剥夺脑以短链、低不饱和度磷脂为主，伴随磷脂酸水平下降。磷脂酸在脂质合成和线粒体融合中至关重要，其减少与睡眠不足相关。睡眠剥夺导致多不饱和脂肪酸（PUFAs）因氧化耗竭，留下饱和磷脂；休息则通过磷脂酸途径修复膜并逆转线粒体碎片化，凸显氧化应激对膜结构的关键影响。

膜脂过氧化由ROS从PUFA抽取氢原子引发，生成脂质氢过氧化物，最终分解为羰基产物。果蝇中，sniffer（一种短链脱氢酶）构成抗氧化第二防线，其功能减弱导致睡眠时间延长，表明脂质过氧化产物累积增强睡眠需求。修复sniffer、抑制线粒体ROS或敲除Hyperkinetic均逆转这一效应，证明脂质过氧化产物在信号通路中连接线粒体与Hyperkinetic，调控睡眠压力。

通过全细胞电压钳技术，研究验证了4-ONE等羰基化合物如何通过氧化Hyperkinetic的NADPH影响IA失活动力学。在sniffer突变体中，过氧化相关的羰基水平升高使通道转为慢失活的NADP+状态；光敏剂miniSOG生成的单线态氧同样延长失活时间，维持记忆效应。灌注4-ONE（而非4-HNE）减慢失活，确认其为Hyperkinetic的底物，而催化失活的Hyperkinetic突变体对此无反应，证明效应依赖酶活性位点。尽管羰基清除受损、光氧化和4-ONE均影响IA，仅前两者增强放电，提示外源4-ONE因扩散限制未充分作用于轴突。

Hyperkinetic结合NADP+的稳定性使其能记录氧化状态，形成持续数分钟的记忆，被视为睡眠压力的量化标志。作者发现，模拟尖峰序列（10 Hz，20分钟）通过释放NADP+并由NADPH替换，能够逆转失活时间增加，证明了电压控制辅因子交换。催化失活突变体无此效应，强调记忆的形成依赖酶活性。这一机制不仅限于dFBNs，在哺乳动物HEK-293细胞中，KV1.4–β2复合物对甲基乙二醛的响应也显示类似记忆与擦除特性，表明KV1通道普遍具备记录脂质过氧化的能力。

综上所述，本研究揭示了果蝇KV1通道β亚单位Hyperkinetic通过NADPH氧化为NADP+，形成“生化记忆”，记录脂质过氧化历史并编码睡眠压力。这一过程受电压控制：膜去极化释放NADP+，由NADPH替换，擦除记忆。在dFBNs中，脂质过氧化产物（如4-ONE）驱动此循环，调节A型电流失活，增强放电频率；睡眠剥夺耗竭PUFAs，羰基累积则加剧睡眠需求，提示睡眠具神经保护作用。此机制在哺乳动物细胞中同样存在，表明KV1通道链接氧化应激与睡眠调控的进化保守性。

制版人：十一

参考文献

1. Rehm, H. & Lazdunski, M. Purification and subunit structure of a putative K+-channel protein identified by its binding properties for dendrotoxin I.Proc. Natl Acad. Sci. USA85, 4919–4923 (1988).

2. Gulbis, J. M., Mann, S. & MacKinnon, R. Structure of a voltage-dependent K+ channel β subunit. Cell 97, 943–952 (1999).

3. Kempf, A., Song, S. M., Talbot, C. B. & Miesenböck, G. A potassium channel β-subunit couples mitochondrial electron transport to sleep. Nature 568, 230–234 (2019).

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