Sleep is an important physiology for animals including mammals and insects. It shares many features like prolonged quiescence, reduced responsiveness and activity. Sleep is regulated by the circadian rhythm, which controls the time of sleep, and the homeostatic factor, which controls the amount of sleep needs. The fruit fly, Drosophila melanogaster, has proven useful in the search for the molecular mechanisms of sleep. Using Drosophila as a model system, we identified two novel sleep regulating signals, the histaminergic signaling and Mip-SPR signaling, and investigated their regulatory mechanisms using genetic and pharmacological means. Histamine is an important neurotransmitter known to control photoreception and temperature sensing in Drosophila. However, its role in sleep-wake regulation has not yet been established. Here, we obtained mutant flies exhibiting low expression of histidine decarboxylase (hdc) and two histamine receptors, histamine-gated chloride channel subunit 1 (hisCl1) and ora transientless (ort), and assayed them for baseline sleep phenotypes. The hdc and hisCl1 mutants exhibited increases in sleep duration. In contrast, ort mutants showed no change in sleep patterns. Increases in sleep parameters in the hdc and hisCl1 mutants were reversed by histamine treatment or expression of the histamine receptor, hisCl1, in pigment dispersing factor (PDF) neurons. Elevation of histamine levels decreased sleep in wild-type flies. Histamine treatment tests revealed that PDF neurons are important for histamine signaling-mediated wake activation. These data show that the histamine-HisCl1 receptor axis can activate and maintain the wakeful state in Drosophila, and that wake-activating signals may travel via the PDF neurons.
Sex peptide receptor (SPR) mediates the post-mating switch in Drosophila reproductive behavior. Sex peptide (SP), the first known class of SPR ligands, activates the downstream signaling of SPR and evokes the post-mating behavioral switch in Drosophila females. Although SPR is found in a wide range of insect genomes, SP is detected only in some Drosophila species. Myoinhibitory peptides (Mips) were recently identified as an additional class of SPR ligands, conserved in almost all insect species and other invertebrates. However, unlike SP, Mip is not implicated in the female reproductive behaviors. Hence, the Mip-SPR signaling axis is proposed to have a novel and unknown function. We show here that SPR is a novel sleep regulator that regulates baseline sleep and its ancestral ligands Mip is also implicated in these processes. The loss-of-function mutants of either SPR or Mip show strong reduction in sleep duration and sleep bout duration in males, virgin and mated females. Genetic analysis maps the function of SPR to the PDF neurons, a major group of clock neurons. SPR expression in the PDF neurons is both required and sufficient for the wild type levels of the baseline sleep in either sex. Together these results indicate that Mip acts directly on PDF neurons through SPR. Finally, we demonstrated Mip levels are reduced strongly after the sleep deprivation. Our results reveal a novel and ancestral function of SPR, and provide a model to study processes that evolve the functional multiplicity from a GPCR.
수면은 인간의 삶에 있어서 매우 중요함에도 불구하고 아직 정확한 조절 방식을 알지 못하고 있다. 지금까지 포유동물을 통한 수면 조절의 유전적 연구가 주로 진행 되었다. 최근 초파리를 모델 동물로 이용한 수면 연구가 가능해짐에 따라 초파리를 이용한 새로운 수면 조절 인자 탐색이 광범위하게 이루어지고 있다. 본 연구에서 우리는 초파리를 통한 유전적, 약학적 분석 방식을 이용하여 히스타민 신호 전달 체계와 Mip-SPR 신호 전달 체계가 초파리의 수면 조절에 관여하고 있음을 새롭게 밝혔다. 히스타민은 초파리의 빛 인지와 온도 감지 등의 기능에 중요한 역할을 하는 것으로 이미 알려져 있었다. 하지만 히스타민과 그 수용체의 수면 조절 기능에 대해서는 확실히 밝혀지지 않은 상태였다. 초파리 히스타민 신호 전달 체계를 이루고 있는 세 유전자 (hdc, hisCl1, ort) 의 저 발현 돌연변이의 수면 양상을 각각 확인 해 본 결과 hdc, hisCl1 돌연변이의 수면 길이가 증가함을 발견했다. 하지만 ort 돌연변이 수면 패턴은 변하지 않았다. 증가한 hdc, hisCl1 돌연변이의 수면 길이는 히스타민을 투여하거나 PDF 뉴런에서 hisCl1 유전자를 발현시키는 방법으로 회복이 가능했다. 약학적 방식을 이용해 초파리 체내의 히스타민 수치를 올릴 경우 수면 길이가 감소했다. 히스타민을 투여하는 여러 실험들을 통해서 초파리 뇌 속의 PDF 뉴런들이 히스타민 신호 전달 체계에 중요함을 재확인 했다. 본 연구의 결과들은 히스타민-HisCl1 신호전달 시스템이 초파리의 각성을 활성화시키고 있음을 확인했으며, 이러한 신호전달 체계가 초파리 뇌의 PDF 뉴런에서 작용함을 밝혔다.
두 번째로 발굴한 새로운 초파리의 수면-각성 조절 체계는 초파리 암컷의 성행동을 조절하는 것으로 알려진 Sex peptide receptor (SPR) 와 Myoinhibitory peptide (Mip) 신호전달 체계이다. SPR 은 앞선 연구에서 sex peptide (SP) 의 신호전달을 받아 초파리 암컷의 성행동을 조절하는 수용체로 알려져 있었다. 하지만 SPR 은 거의 모든 곤충 들에서 넓게 발현되는데 이에 반해 SP 는 초파리를 포함한 제한적인 곤충들에서만 발견되었다. 이에 따라 넓은 범위의 곤충류에서 발현되는 SPR 의 새로운 신호전달자를 찾으려는 연구가 이어졌고 그 결과 Mip 이 새롭게 발견되었다. 하지만 SP 와는 다르게 Mip 은 초파리 암컷의 성행동을 조절하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 또한 Mip-SPR 신호 전달 체계가 가지는 새로운 생리학적 기능에 대해서는 아직 알지 못하고 있는 상황이었다. 본 연구에서는 SPR 이 수면 조절 기능을 가지고 있음을 새롭게 밝혔으며 이는 Mip 의 신호전달 기능을 통해서 조절되는 것을 발견했다. SPR 과 Mip 의 저 발현 돌연변이들은 성별, 성행동 유무에 관계 없이 수면 길이가 짧아졌으며, 이러한 수면 길이의 단축은 수면의 횟수 감소 보다 수면 당 지속 길이의 단축이 원인인 것으로 밝혀졌다. 유전학적 스크리닝 방식을 이용하여 초파리 뇌에서 SPR 이 수면 조절에 기여하는 부위를 추적해 본 결과 이미 초파리 수면 조절에 중요한 부위로 알려진 PDF 뉴런이 SPR 의 수면 조절에 중요한 역할 함을 밝혔다. 또한 초파리의 수면을 인위적으로 방해 했을 때에 눈 쪽으로 전달되는 Mip 신호가 약해짐으로 미루어 볼 때 초파리의 수면 패턴과 Mip 의 발현 양상이 밀접한 관계가 있음을 밝혔다. 이러한 결과들은 SPR 의 진화적으로 완전히 새로운 기능에 대해 밝힌 것이며 나아가 SPR 이 속한 GPCR 의 다기능적 진화과정을 연구하는데 있어서 새로운 모델이 될 수 있다.
