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身体发出的睡眠信号,竟是大脑 DNA 损伤拉响的「警报」

作者:上海盎真科技有限公司 浏览: 发表时间:2021-11-26 17:51:49

研究背景

睡眠对所有动物来说都是必不可少的,但每天的睡眠量因物种而异。成年人每天大约睡 7-8 小时,树懒睡 20 小时,自由漫游的野象只睡 2 小时。

对于人类来说,我们生命的三分之一需要花费在睡眠上。当我们筋疲力尽的时候,只要睡个好觉,我们就能精力充沛地开始新的一天。那么,我们如何知道自己需要睡眠,而夜间睡眠帮助身体修复的机制又是什么呢?这些仍然是未解之谜。

2021年11月18日,以色列巴伊兰大学生命科学学院和多学科脑研究中心的Lior Appelbaum团队在Molecular Cell杂志上发表了一篇题为Parp1促进睡眠,增强神经元DNA修复的文章,新研究是迈向解开这个谜团的一步。研究人员在小鼠身上发现了斑马鱼的睡眠机制并获得了证据支持,发现DNA损伤是睡眠的稳态驱动因素,而Parp1通路可以感知这种细胞压力并促进睡眠和修复活动。

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图片来源:分子细胞

研究内容

睡眠可以修复神经元DNA损伤

当我们清醒时,DNA损伤会逐渐在神经元中积累。这种损伤可能由多种因素引起,包括紫外线、神经元活动、辐射、氧化应激和酶促反应错误。在睡眠和清醒时间,每个细胞中的修复系统都会纠正 DNA 断裂。然而,神经元中的DNA损伤在清醒期间不断积累,大脑中过度的DNA损伤会达到危险的程度,因此必须减少DNA损伤。这项研究表明,睡眠可以招募 DNA 修复系统并促进有效修复,帮助我们“重新开始”新的一天。

在一系列实验中,研究人员试图确定 DNA 损伤的积累是否可能是触发睡眠状态的驱动因素。使用辐射、药理学和光遗传学的各种实验方法,在斑马鱼上诱导 DNA 损伤,以评估它如何影响斑马鱼的睡眠。斑马鱼透明,具有与人类相似的大脑和夜间睡眠,是研究这一现象的完美模式生物。

实验表明,随着 DNA 损伤的增加,对睡眠的需求也会增加。在某一时刻,DNA损伤的积累达到最大阈值,睡眠(稳态)压力增加到一定程度,从而触发睡眠冲动,鱼进入睡眠状态。随后的睡眠促进DNA修复过程,从而减少DNA损伤。

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图片来源:分子细胞

睡几个小时才够?

没有什么比睡个好觉更重要的了。在确认累积的 DNA 损伤是驱动睡眠过程的一个因素后,研究人员进一步确定了减少斑马鱼睡眠压力和 DNA 损伤的最短时间。与人类一样,斑马鱼对光线的干扰很敏感,因此研究人员逐渐减少了夜间的黑暗程度。在测试 DNA 损伤和睡眠后,确定每晚 6 小时的睡眠足以减少 DNA 损伤。令人震惊的是,当夜间睡眠不足6小时时,DNA损伤并未完全减少,斑马鱼白天仍会继续睡眠。

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图片来源:分子细胞

PARP1 可以发出“该睡觉了”的信号

为了促进有效的 DNA 修复,大脑需要告诉我们该睡觉了,那么潜在的机制是什么?

PARP1 蛋白是 DNA 损伤修复系统的一部分,是最早做出快速反应的蛋白之一。 PARP1 标记细胞中的 DNA 损伤位点,并招募所有相关系统来消除 DNA 损伤。根据 DNA 损伤,PARP1 在 DNA 断裂位点的积累在醒着时增加,在睡眠时减少。通过遗传和药理学操作,PARP1的过表达和敲低表明增加PARP1不仅可以促进睡眠,还可以增加睡眠依赖性修复。相比之下,PARP1 的抑制会阻断 DNA 损伤修复的信号。有趣的是,这些鱼并没有完全意识到自己累了,没有睡觉,也没有进行 DNA 损伤修复。

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图片来源:分子细胞

为了进一步证实斑马鱼的研究结果,特拉维夫大学的研究员兼教授Yuval Nir在合作中,脑电图被用来检测PARP1在调节小鼠睡眠中的作用。与在斑马鱼上获得的结果一样,PARP1 活性的抑制会降低非快速眼动睡眠的持续时间和质量。阿佩尔鲍姆教授说:“为了进行 DNA 修复,PARP1 通路可以向大脑发送信号,让我们知道我们需要睡觉。”

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图片来源:分子细胞

概括

在这项研究中,揭示了DNA损伤是睡眠的稳态驱动因素,而PARP1通路可以感知这种细胞压力,提醒我们可以在睡眠期间睡觉并进行DNA修复。

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清醒时,神经元中 DNA 损伤的积累会增加疲劳。 PARP1 蛋白(黄色头盔)充当“天线”,感知和标记细胞中的 DNA 断裂、驱动睡眠和招募修复系统(绿色和蓝色头盔)。在睡眠期间,DNA 修复系统会修复休息时间,让一天重新开始。红色是细胞体,蓝色是核仁,绿色是 DNA 损伤部位。 (David Zada 博士提供)

这些最新发现详细描述了单细胞水平的睡眠“生成链”。这种机制也可以用来解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病(如金森病和阿尔茨海默病)。虽然目前的研究还处于斑马鱼和小鼠模型的阶段,但阿佩尔鲍姆教授认为,“未来的研究将有助于将这种来自低等无脊椎动物的睡眠功能应用到人类身上。”

当你感到疲倦时,睡个好觉!你不是在睡觉,而是在修复 DNA。

南洋科学院

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