睡眠剥夺相关认知障碍的分子机制解析与潜在药物靶点探寻

《BMC Psychiatry》：Molecular basis identification and hypnotic drug interactions for cognitive impairment related to sleep deprivation

为探究睡眠剥夺导致疾病风险增加（如应激反应、免疫功能障碍和代谢失调）背后的潜在药物靶点和生物标志物，研究人员开展了睡眠剥夺相关认知障碍（CIRSD）的研究。他们分析了 4 个数据集，确定了 160 个差异表达基因（DEGs）和 20 个枢纽基因，8 个枢纽基因可能是潜在药物靶点。这有助于理解疾病机制和开发新疗法。

　　睡眠是人体一项至关重要的生理活动，它就像一台精密的仪器，受昼夜节律和体内平衡过程的调控，对维持大脑正常功能起着不可或缺的作用。然而，在现代社会快节奏的生活模式下，睡眠剥夺现象愈发普遍。据统计，美国超 70% 的成年人和青少年每月至少有一天睡眠不足。睡眠剥夺带来的危害不容小觑，它不仅会使人情绪恶化、神经精神状态变差，还会严重损害认知功能，导致工作效率降低，甚至引发一些致命的操作失误。同时，急性睡眠剥夺会使脑脊液和血浆中阿尔茨海默病的生物标志物 tau 和淀粉样蛋白 -β 水平升高，对记忆也有长期影响。此外，睡眠不足还与多种疾病的发生发展相关，但其具体的分子机制却尚不明确。为了深入探究睡眠剥夺相关认知障碍（CIRSD）背后的潜在药物靶点和生物标志物，来自湖北医药学院太和医院精神卫生中心、睡眠障碍中心以及湖北中医药大学等机构的研究人员开展了此项研究。该研究成果发表在《BMC Psychiatry》上，为进一步理解睡眠剥夺相关疾病的发病机制和开发新的治疗方法提供了重要依据。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，从 GEO 数据库获取 4 个与 CIRSD 相关的表达谱数据集，包括 GSE40562（与致命性家族失眠症相关）、GSE98566 和 GSE98582（均与全睡眠剥夺导致的神经行为障碍相关）以及 GSE26576（与弥漫性内生性脑桥胶质瘤相关）。然后，利用 Perl 和 R 包中的 limma 程序对数据进行预处理和差异表达基因（DEGs）分析，设定 P 值调整 <0.05 且 | log2 倍变化（FC）|>1 为筛选标准。接着，通过稳健秩聚合（RRA）方法整合分析多个数据集，确定共同的 DEGs。此外，运用京都基因与基因组百科全书（KEGG）和基因本体（GO）进行通路富集分析，借助 STRING 数据库构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络，并利用 Cytoscape 软件及相关插件进行模块分析和枢纽基因筛选。最后，通过 DGIdb 数据库分析枢纽基因与药物的相互作用，利用 TIMER 算法和 GEPIA 数据库分别进行免疫细胞浸润分析和生存分析。

研究结果如下：

• 数据预处理和 DEG 鉴定：对 4 个数据集进行分析，根据设定的筛选标准，从 GSE40562、GSE26576、GSE98566 和 GSE98582 数据集分别获得 752、400、440 和 380 个差异基因。
• 稳健秩聚合：经 RRA 方法筛选，最终确定了 160 个与 CIRSD 相关的 DEGs，其中 95 个上调，65 个下调。
• GO 和 KEGG 通路富集分析：GO 分析显示，DEGs 的生物学过程显著富集于血红蛋白代谢过程、对皮质酮的反应、多糖分解代谢过程、神经元再生和对轴突损伤的反应等；细胞组成类别变化主要与血红蛋白代谢膜、MHC 蛋白复合物、内质网腔面和内质网到高尔基体的转运载体等相关；分子功能主要涉及表皮生长因子受体结合活性、肽抗原结合、蛋白 C 末端结合等。KEGG 通路富集分析表明，相关通路与金黄色葡萄球菌感染、自身免疫性甲状腺疾病、炎症性肠病等多种疾病相关。
• PPI 网络构建和模块分析：利用 STRING 数据库构建 PPI 网络，该网络包含 142 个节点和 217 条边，网络连接性良好，节点聚类系数较高，表明存在不同的功能模块，且网络的富集具有显著性。
• 枢纽基因鉴定：运用 Cytoscape 插件 CytoHubba 中的拓扑分析算法，筛选出 20 个枢纽基因，包括 DNA 拓扑异构酶 IIα（TOP2A）、极光激酶 B（AURKB）、神经丝轻链（NEFL）等。
• 枢纽基因与药物相互作用分析：通过 DGIdb 数据库检索，确定了 8 种可能用于治疗 CIRSD 的药物，其中 TOP2A、AURKB、PVALB、CALM1、KIF5B、PBK、MKI67 和 SST 这 8 个枢纽基因被确定为潜在药物靶点。
• 免疫细胞浸润分析：分析发现，TOP2A、AURKB 等 8 个枢纽基因的表达水平与多种免疫细胞（如 B 细胞、CD8⁺T 细胞、CD4⁺T 细胞等）的浸润水平显著相关，揭示了基因表达与免疫反应之间的密切联系。
• 枢纽基因生存分析：通过 GEPIA2 对 8 个枢纽基因与 CIRSD 患者的总生存率进行分析，发现高表达水平的 TOP2A、AURKB 等基因与低总生存率显著相关，表明这些基因在疾病进展中具有重要作用。
• 基因表达谱：对所有 CIRSD 和正常组织的基因表达谱进行可视化分析，发现不同基因在不同癌症（如膀胱尿路上皮癌 BLCA 和前列腺腺癌 PRAD）中的表达存在差异，部分基因在疾病进展或治疗反应中可能具有关键作用。

研究结论和讨论部分指出，本研究成功鉴定出与睡眠剥夺发展相关的枢纽基因，这些基因有望成为潜在的诊断生物标志物和药物靶点。例如，TOP2A 是维持基因组完整性的关键调节因子，AURKB 在细胞分裂中起重要作用，且两者均与多种疾病相关。PVALB、CALM1 和 KIF5B 参与钙信号通路，可能为神经肌肉疾病和某些精神疾病的治疗提供方向。SST 作为一种重要的激素，对生长激素的释放具有抑制作用。此外，研究还发现免疫浸润细胞和免疫相关基因在 CIRSD 的治疗和诊断方面具有潜在价值。然而，目前针对这些发现的临床应用还需要更多的研究和临床试验来验证。总体而言，该研究为深入理解睡眠剥夺相关认知障碍的分子机制和开发新的治疗策略提供了重要线索，具有重要的理论和临床意义。