今年10月初，日本大隅良典获得其本世纪第17个自然科学诺奖，引起很多中国人的感慨和思考，而11月第一期的《自然》又刊出日本筑波大学科学家柳沢正史教授发现哺乳类控制睡眠的基因。无独有偶，与大隅良典诺奖工作一样的是，柳沢正史等也用遗传筛选。
二十多年前，日本科学家是用单细胞生物酵母研究细胞水平的生物学问题，而现在日本科学家是用比酵母高等很多的老鼠研究系统水平的生物学问题。
用脑电图（EEG）作为检测睡眠的指标，用老鼠筛选基因突变种，耗资多、时间长，需要痛下决心，柳沢正史带领他的团队做到了。他们做出了迄今哺乳类睡眠领域最重要的基因水平的发现，刷新了柳沢正史和旅美法国科学家Emmanuel Mignot于1999年分别独立发现神经肽orexin及其受体参与睡眠调控的记录。
这一突破将把睡眠研究提高到什么程度，下面十年我们拭目以待。
清晨醒来，我不禁又陷入了深深的思考，是什么昨晚又让我陷入沉睡，"浪费"了6、7个小时的生命。有人叹，"纸衾瓦枕冷如水，辗转无梦睡不成"；亦有人道："恋枕嫌多梦，开帘曙色迷"；可谓"中人有梦君无梦，乐思幽怀事不同"。每个人每天都要睡觉，各人睡觉的长短有不少差异，却又在一定的范围之内。控制睡眠的"看不见的手"究竟是什么呢？
睡眠是一件细思恐极的事情。从低等的无脊椎动物到人类都会进行睡眠。试想一下，人类的祖先或者现在的动物，在睡眠时防御和逃跑能力几乎丧失，对突发的环境变化的适应能力也大大降低，因此极其容易在睡眠中失去生命。另一方面，即使没有上述的危险，睡眠也会造成巨大的代价。如果有方法能够延长一个人十年的寿命，我想大多数人都会愿意用几乎一切代价去换取。然而睡眠累计起来即占据了近三十年的寿命！
可以看到，睡眠是一个大多数动物都会进行，而代价巨大的行为，所以它也必然是一个至关重要而又收益极大的行为。研究已经发现，长时间缺乏睡眠会导致神经功能下降，甚至猝死。近年来发现睡眠为维持神经可塑性所必须，并且可以帮助大脑"洗澡"从而清除其运作时产生的"垃圾"。宾夕法尼亚大学的Amita Seghal课题组最近还在果蝇模型中发现，睡眠不足会导致产生的后代数目严重减少。
如果Seghal教授的结论能推广至其他动物的话，那么可能可以解释为什么各种动物都有睡眠行为：产生后代的能力是如此重要，以至于影响此能力的基因在进化中会迅速被淘汰，从而消失在历史的长河中。因此，尽管产生睡眠的进化原因还并不完全清晰，睡眠毫无疑问是一种至关重要乃至可能为动物生存繁衍所必须的行为。
睡眠如此重要，但我们对它知之甚少。小时候我就经常梦想有一个开关，把它开了，人就醒了，把它关上，人就睡着了。长大了，对科学有一定了解之后，我知道了有一些控制生物钟的基因，它们通过负反馈控制自身表达量的变化，最终控制动物什么时候睡觉。除了控制什么时候睡，控制睡多长也非常重要。然而控制睡多长的基因有哪些，它们如何工作，我们几乎一无所知。
如果在50年前，我提出"哪些基因控制睡眠时间"这样的问题，大概会被科学界认为是"傻子"。事实上，20世纪60年代，当神经遗传学鼻祖之一Seymour Benzer向加州理工学院的同事阐述神经遗传学的想法时，Sydney Brenner和Gunther Stent等大牛给他的回应是："怎么可能通过遗传突变体发现大脑如何工作？"。
随着控制重要神经系统功能的重要基因被发现，科学界逐渐承认了复杂的神经功能在很大程度上也受基因控制。回到睡眠，睡眠的长短又由哪些基因控制呢？逻辑上我们可以用两种方法研究这个问题。我们先根据已有的线索做出猜测，哪些基因可能会影响睡眠的长短。然后使这些基因一个个发生突变，看睡眠长短是不是真的受到影响。这种从特定的基因出发，研究其突变后对表型的影响，就叫做反向遗传学。
那么用正向呢？如果我们在一大群动物中随机引入基因突变，然后在这些动物中挑选睡眠长短异常的，在这些异常的动物中再寻找是什么突变导致其异常，不就能知道睡眠长短受什么基因影响了吗？这样从表型出发寻找对应的基因突变的思路，符合人们由表及里的认知，就是所谓正向遗传学。
思路有了，那就要建立方法和模型进行实验。我们拿什么动物来研究睡眠的基因呢？要落实到人类的睡眠，最理想的当然是直接拿人来研究。
但是人作为研究对象有缺点。首先，无法人为地在人群中主动引入随机突变。其次，用人做实验的成本很高。除了人之外，正向遗传学研究最常用的模式动物之一是果蝇，果蝇可以理解为喜欢吃水果的一种蝇。果蝇在基因操作上有着成熟的系统，特别适合做正向遗传学。利用果蝇研究睡眠其实在十几年前还是很有争议的。
小鼠也是做遗传学常用的模式动物。
与果蝇相比，小鼠研究睡眠有一大优势：除了观察行为，我们还可以通过测量小鼠的脑电图来判断其是否睡眠。这样测量睡眠的方式更直接，得到的数据更"干净"，并可以区分假寐、葛优躺和真睡，甚至还可以区分做梦与不做梦。
我们今天将要讨论的文章“Forward-genetics analysis of sleep in randomly mutagenized mice”就是利用小鼠通过正向遗传学筛选发现的新的控制睡眠长短的基因。
日本筑波大学教授柳沢正史被视为获得诺贝尔奖的有力人选。论文实验部分的第一段就让我震惊了：研究者用化学诱变剂ENU在很多雄性小鼠中诱发了随机的基因突变，然后与野生型雌性小鼠杂交，并测量了杂交所产生的超过8000只子一代小鼠（F1）的睡眠表型。总计上万只小鼠的工作量，光养小鼠就要几百万（人民币）！所以我的小实验室万万不敢想这样的实验的。
他们检测小鼠睡眠的方法就是前面提到过的测脑电图。具体来说，他们根据清醒，非眼快动睡眠（NREMS），以及眼快动睡眠（REMS）时脑电波的波形特征的不同，测量了每只小鼠在一天24小时内各种状态的时间，并通过大量的测量，找到了睡眠不正常的小鼠。通过这些信息，可以找到睡眠不正常的小鼠家系，并且利用这些家系中产生睡眠不正常子代的父亲的精子做人工授精，进一步验证其基因突变是造成睡眠异常的原因。
明确了突变与睡眠异常的原因之后，就要在基因图谱上找到具体是哪个突变导致的，这个定位的过程叫做mapping。研究者采用了比较巧妙的方法，他们诱变的父本都具有一样的遗传背景，而杂交用的母本则有另一个遗传背景。这两个遗传背景的睡眠没有什么差别，但是两者的基因组在特定的不同位置具有特定的核苷酸，这些位置被称为单核苷酸多态性（SNP）。这些SNP会在子代中按遗传学规律分布，成为了基因组图谱上的"地标"。
而比较睡眠异常的子代与正常的子代中SNP分布的不同，就可以找到推断导致睡眠异常的基因的大致位置。再结合全基因组测序，就可以明确是哪个具体位置的突变导致了睡眠异常。用上述方法，柳泽找到了两个睡眠异常的家系“嗜睡”（Sleepy）和“无梦”（Dreamless），分别对应了两个关键的睡眠基因，Sik3和Nalcn。
“嗜睡”的基因突变顾名思义，“嗜睡”意为睡得很长，这一家系的小鼠每天只有524分钟（8.7个小时）是清醒的，远远低于正常小鼠的清醒时间（约13个小时）。进一步分析数据可以发现，嗜睡家系小鼠非快速眼动睡眠（NREMS）时间增加，也就是多睡了，但并没有多做梦。为了验证以上三个原因，研究人员做了换笼子、喂咖啡因等唤醒实验，也检测了嗜睡小鼠的生物钟，发现嗜睡小鼠被唤醒的能力没有减弱，生物钟也正常。
因此，突变使得小鼠喜欢睡，睡到自然醒的时间变长最有可能解释小鼠嗜睡的现象。
那么，嗜睡对应的基因是什么呢？通过定位，发现嗜睡家系小鼠在一个叫Sik3的激酶基因的一个内含子中的突变，是导致表型的原因。内含子本身并不参与编码蛋白，但是Sik3的这个突变在内含子中剪切体识别的位点，导致Sik3的mRNA剪切错误，少了一段，最终导致Sik3蛋白缺失了一段。
为了验证Sik3蛋白缺失了这一段是导致小鼠嗜睡的主要原因，研究者们利用基因编辑的手段在正常小鼠中制造了Sik3基因第13个外显子的缺失，结果发现表型和嗜睡小鼠一样，从而证明了他们的假设。
为什么Sik3缺失了这一小段几十个氨基酸就影响到睡眠呢？研究者们发现，这一段的序列高度保守，也就是从线虫到人，这一段的蛋白序列几乎一样，而且都包含了一个被PKA磷酸化的RRAS位点。
因此，作作者们猜测，这个磷酸化位点的缺失可能导致了Sleepy的表型。他们继而在果蝇中，在不改变内源野生型Sik3的情况下，诱导表达磷酸化位点突变为丙氨酸的Sik3，导致果蝇很快变得嗜睡。这不仅证明了PKA磷酸化位点的重要，而且也预示着这个Sik3突变很可能是一个功能获得型突变。
综上，作者们发现的第一个控制睡眠长短（但非做梦长短）的Sik3基因，它表达的蛋白如果不能被PKA磷酸化会导致嗜睡。未来也许可以由此开发PKA的激动剂抑制睡眠，阻断剂用于增长睡眠呢！
日本人发现的另一个睡眠基因Nalcn与笔者很有渊源。Nalcn这个名字是我和我的博士生导师命名的。Nalcn表达的离子通道蛋白在神经处于静息状态时，传导了一个很小的背景钠离子漏电流。
尽管这个电流很小，但流入的阳离子也足以使得神经元的跨膜电位发生几毫伏的变化，更接近神经元进入兴奋状态的阈值，从而增加其发放动作电位的几率，也就增加了神经的兴奋性。因此，这个基因的缺失，会导致神经兴奋性降低、呼吸等节律行为丧失、小鼠出生24小时内死亡等严重后果。
Nalcn在睡眠中起作用，某种程度上可以说是意料之中。睡眠时细胞外钙离子浓度会周期性变化，我曾经猜测Nalcn可能感受此变化由此控制神经的周期性兴奋从而控制睡眠时间。而美国科学家Ravi Allada等人在2015年则根据我已发表的工作及他们的数据提出了Nalcn参与生物钟节律的"自行车"模型。
在日本科学家的这篇文章中，作者们发现了Nalcn的突变引起的一个非常有趣的表型：无梦。无梦的小鼠，清醒和不做梦的睡眠总时间相比正常小鼠只有很轻微的增加，而做梦的总时间则减少了近一半。进一步的分析发现，做梦减少的原因是做梦的时间碎片化了，从梦境中醒来变得非常频繁。换句话说，梦境变得非常不稳定。
进一步的遗传学分析发现，无梦这个突变实际上是Nalcn的一个点突变，导致其Nalcn蛋白的315号氨基酸由天冬酰胺变成了赖氨酸（N315K）。通过电生理的记录发现，突变后的Nalcn通道所介导的电流与野生型电流的性质完全一样，但是电导要大很多。这样的直接结果是神经的兴奋性增加，小鼠也就更容易从梦境中醒来。
与之一致，突变小鼠控制做梦的deep mesencephalic nucleus神经元的兴奋性大大增加，从而可能导致了小鼠梦境的不稳定，做梦也就减少。这很明显也是一个功能获得型突变，因为突变使得Nalcn电导增加，而非减少或丧失。
通过正向遗传学的方法和上万只小鼠的脑电图测量，柳泽和同事们找到了影响睡眠时间和做梦时间的两个关键基因，不仅意味着我们对睡眠的认识逐渐到达了分子水平，也意味着我们也许以后能找到控制睡眠长短甚至做梦长短的方法或药物，甚至订制梦境也并非痴人说梦。