基因與基因體學 科學報導 遺傳學

失眠與晝夜節律基因關聯性之探討

睡眠─覺醒的行為模式與晝夜節律(circadian rhythm)的關係密不可分。晝夜節律受到相關基因的調控,透過負回饋機制形成生理時鐘。哺乳類生理時鐘的核心是由轉錄因子 CLOCK 與 BMAL1 促進下游基因表現,由蛋白產物 PER 與 CRY 回饋抑制本身的基因轉錄。此外,CLOCK 與 BMAL1 的調節亦使核受體 REV-ERBα/β 有節律地抑制 Bmal1Nfil3。NFIL3 與 DBP(D-box binding protein)及 CLOCK 與 BMAL1 共同調節 REV-ERBα/β 的節律。這些轉錄回饋路徑環環相扣,調節了諸多具有週期性的基因,進而影響各種生理現象的節律,包含睡眠、代謝、與老化等(圖一)。

圖一、晝夜節律基因調控網路及對於生理現象的影響。
生理時鐘的核心是由轉錄因子 CLOCK 與 BMAL1 活化 Per1、Per2、Cry1、Cry2 基因,再由其蛋白產物 PER 與 CRY 抑制基因轉錄,形成負回饋調控。PER 與 CRY 並經 E3 泛素連接酶進行轉譯後修飾。CLOCK 與 BMAL1 對於 Nr1d1/2 基因表現的調控,使其所編譯的核受體 REV-ERBα/β 有節律地抑制 Bmal1 與 Nfil3,而 NFIL3 與 DBP、CLOCK 與 BMAL1 則共同調節 REV-ERBα/β 的節律。圖片來源:https://doi.org/10.1186/s13073-019-0704-0

失眠(insomnia)是指長時間頻繁發生並影響患者日間生活品質的睡眠─覺醒障礙(sleep-wake disorder),且無法歸因於其他病症或藥物使用之生理效應,長期傷害個體的生心理健康。失眠的全球盛行率約為 10%~20% [1],根據精神疾病診斷與統計手冊第五版(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, Fifth Edition; DSM-5)的診斷標準,其主要症狀包含:入眠困難型失眠(sleep-onset insomnia)、睡眠維持型失眠(sleep-maintenance insomnia)、與睡眠終末型/清晨清醒型失眠(terminal insomnia)。

過往研究統計,在成年人群體中,失眠約有 22%~59% 的可遺傳性(heritability) [2],亦有研究團隊透過全基因體關聯分析(genome-wide association study, GWAS)探討基因體變異與失眠的關聯,並發現了四個與失眠症狀相關的基因座(locus) [3]。晝夜節律基因(circadian genes)對於失眠的調控作用又是什麼呢?曾有研究分析臨床上患有其他精神疾病並伴隨失眠症狀者,發現 TIMELESS 基因 [4]、與調節 CLOCK 基因的 miR-182 之基因變異等 [5],皆與重度憂鬱症患者發生清晨清醒型的失眠有關聯。然而,晝夜節律基因對於一般群體發生失眠的影響仍未明朗。

2019 年,以挪威科技大學為首的研究團隊針對第三期 HUNT 生物資料庫研究(The Nord-Trøndelag Health Study)的人口健康資料,透過樣本較為均質的遺傳背景、環境暴露、與社經健保等因素,分析一般群體中失眠症狀的遺傳基礎 [6]。

團隊由問卷調查內容(註一),收取具有失眠症狀、排除睡眠呼吸中止症與鼻鼾症狀者,並排除具親緣關係者,篩選出病例與對照組別。接下來則取用資料庫中基因體資訊,檢視晝夜節律基因的單核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism, SNP),探討其與前述三種失眠主要症狀的關聯性(圖二)。

圖二、取用 HUNT 研究第三期之生物資料庫數據,由問卷調查回覆內容(詳見註一),收取具有前述三種失眠症狀、排除睡眠呼吸中止症與鼻鼾症狀者,並取用資料庫中的基因體資訊,進行病例與對照樣本篩選的過程概覽。圖片來源:https://doi.org/10.1080/07420528.2019.1582540

針對核心晝夜節律基因 PER1PER2PER3CRY1CRY2TIMELESSCLOCK、與 ARNTL(即 BMAL1)序列中共 81 個標籤 SNPs(後經統計數據品質管制後僅採用 73 SNPs),並運用多類別邏輯迴歸(multinomial logistic regression),評估特定位點與表現型之間的關聯性。

在團隊所分析的 73 個 SNPs 中,有 26 個 SNPs 的 p 值小於 0.05,然而經由多重檢定校正後,沒有任何 SNPs 具有顯著差異。團隊仍針對這些 SNPs 進一步推敲:發現在 PER3 基因的 SNPs 中,大多是僅與同時具有三種失眠症狀者相關的。發生於 CRY1CRY2 基因的 SNPs 則較多與清晨清醒型的失眠有關,而位於 ARNTL 的 SNPs 則與入眠困難相關。於 SNPinfo Web Server 中搜尋,則發現其中六個 SNPs 位於這些基因的轉錄因子結合位,此外亦有 SNPs 位於基因剪切位點或造成錯義突變。

綜合研究結果,各個晝夜節律基因的變異可能與特定的失眠症狀相關,或許意味著不同失眠症狀的遺傳病因各異。過往研究也指出這些基因可能扮演的生物角色:PER3 基因的變異,可能致使周邊系統與醒覺中樞──視交叉上核的節律不協調,進而干擾睡眠。ARNTL 基因剔除小鼠則出現睡眠時長較短的現象,或許也可解釋位於該基因之 SNPs 與入眠困難的關聯。然而,CRY 基因則主要負責抑制 CLOCK-ARNTL 二聚體,若發生突變可能致使家族性睡眠相位後移症候群,然而實驗中發現 CRY 基因中的 SNPs 與清晨清醒有關,此應為相位前移的現象,故其中機轉仍仰賴更多研究釐清。

同年發表於 Nature Genetics 的兩篇全基因體關聯分析研究,亦探討了失眠症狀相關的風險基因座與相關生物機轉,發現了失眠症狀與神經心理疾患之間高度的相關性 [7],以及各個腦區的特定類別神經細胞中的主要基因變異(圖三);此外,失眠症的頻繁發生,也與老化、心血管與代謝疾病、不寧腿症候群(restless leg syndrome)有關 [8]。可見造成失眠的遺傳背景相當複雜,還伴隨基因之間的交互作用。本篇研究可說是針對日夜節律與失眠的初步探討,結果部分受限於原始的問卷資料、樣本數,雖然最後沒有任何 SNP 達到顯著的統計差異,但依舊替未來的 GWAS 和遺傳分析提供很好的指引。

圖三、取用 UK BioBank 與 23andMe 資料庫數據進行 GWAS 分析,共鑑測出 202 個失眠症狀的風險位點,經由基因功能分析發現多是調控運動行為,並在數個腦部結構中特定的神經細胞類別中有所增益。透過單一細胞 RNA 分析,則發現專一表現於中型多棘神經元(medium spiny neurons, MSNs)中的基因與失眠症狀最為相關。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41588-018-0333-3

Investigator 選文|Nature Collection: 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine

Investigator 選文|Nature Structural & Molecular Biology: Focus on Cycles and Rhythms

註一、此研究所使用的問卷調查內容如下:

Snored loudly (bothersome)?

Stopped breathing when you were sleeping (Sleep apnoea)?

Had difficulty falling asleep at night?

Woken up repeatedly during the night?

Woken too early and couldn’t get back to sleep?

參考文獻:

  1. Morin, C. M., &Benca, R. (2012). Chronic insomnia. The Lancet, 379(9821), 1129–1141. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0140-6736(11)60750-2
  2. Lind, M., & Gehrman, P. (2016). Genetic pathways to insomnia. Brain Sciences, 6(4), 64. https://doi.org/10.3390/brainsci6040064
  3. Lane, J. M., Liang, J., Vlasac, I., Anderson, S. G., Bechtold, D. A., Bowden, J., Emsley, R., Gill, S., Little, M. A., Luik, A. I., Loudon, A., Scheer, F. A., Purcell, S. M., Kyle, S. D., Lawlor, D. A., Zhu, X., Redline, S., Ray, D. W., Rutter, M. K., … Saxena, R. (2016). Genome-wide association analyses of sleep disturbance traits identify new loci and highlight shared genetics with neuropsychiatric and metabolic traits. https://doi.org/10.1101/082792
  4. Utge, S. J., Soronen, P., Loukola, A., Kronholm, E., Ollila, H. M., Pirkola, S., Porkka-Heiskanen, T., Partonen, T., & Paunio, T. (2010). Systematic analysis of circadian genes in a population-based sample reveals association of TIMELESS with depression and sleep disturbance. PLoS ONE, 5(2), e9259. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0009259
  5. Saus, E., Soria, V., Escaramís, G., Vivarelli, F., Crespo, J. M., Kagerbauer, B., Menchón, J. M., Urretavizcaya, M., Gratacòs, M., & Estivill, X. (2010). Genetic variants and abnormal processing of pre-Mir-182, a circadian clock modulator, in major depression patients with late insomnia. Human Molecular Genetics, 19(20), 4017-4025. https://doi.org/10.1093/hmg/ddq316
  6. Bragantini, D., Sivertsen, B., Gehrman, P., Lydersen, S., & Güzey, I. C. (2019). Variations in circadian genes and individual nocturnal symptoms of insomnia. The HUNT study. Chronobiology International, 36(5), 681-688. https://doi.org/10.1080/07420528.2019.1582540
  7. Jansen, P. R., Watanabe, K., Stringer, S., Skene, N., Bryois, J., Hammerschlag, A. R., De Leeuw, C. A., Benjamins, J. S., Muñoz-Manchado, A. B., Nagel, M., Savage, J. E., Tiemeier, H., White, T., Tung, J. Y., Hinds, D. A., Vacic, V., Wang, X., Sullivan, P. F., & Posthuma, D. (2019). Genome-wide analysis of insomnia in 1,331,010 individuals identifies new risk loci and functional pathways. Nature Genetics, 51(3), 394-403. https://doi.org/10.1038/s41588-018-0333-3
  8. Lane, J. M., Jones, S. E., Dashti, H. S., Wood, A. R., Aragam, K. G., van Hees, V. T., Strand, L. B., Winsvold, B. S., Wang, H., Bowden, J., Song, Y., Patel, K., Anderson, S. G., Beaumont, R. N., Bechtold, D. A., Cade, B. E., Haas, M., Kathiresan, S., Little, M. A., Luik, A. I., … Saxena, R. (2019). Biological and clinical insights from genetics of insomnia symptoms. Nature genetics, 51(3), 387–393. https://doi.org/10.1038/s41588-019-0361-7

撰文|陳品萱
審稿|王振宇

About the author

陳 品萱

陳 品萱

2019國立陽明大學基因體科學研究所碩士畢,主要研究興趣為人類遺傳學與基因體學,對於congenital anomalies & developmental diseases的源起與遺傳背景格外好奇並持續探索中。曾參與2015 iGEM,並於大學期間擔任職涯沙龍副召及營隊教學長。喜愛科學傳播與寫作,期盼在Investigator與來自不同領域的人們交流,共同學習與成長。

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