为啥累了总犯困?新研究发现,身体发出的睡眠信号,竟是大脑 DNA 损伤拉响的「警报」

2021-11-25 10:49 · 生物探索

「为了进行 DNA 修复,PARP1 通路能向大脑发出信号,让我们知道需要睡觉了」。

本文转载自“丁香OPE客户端下载最新版本术”微信公众号。

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不同而存在差异。成年人每天大约睡 7-8 个小时,树獭睡 20 个小时,而自由漫游的野生大象只睡 2 个小时。

对于人类来说,我们一生中有三分之一的时间需要花在睡觉上。当我们疲惫不堪的时候,只要好好睡一觉,我们就能元气满满地开始新的一天啦。那么,我们究竟是如何知道自己需要睡觉的,晚上睡眠帮助机体修复的机制是什么?这些仍然是未解之谜。

2021 年 11 月 18 日,来自以色列巴伊兰大OPE客户端下载最新版本生命科OPE客户端下载最新版本OPE客户端下载最新版本院和多OPE客户端下载最新版本科脑研究中心的 Lior Appelbaum 团队在 Molecular Cell 杂志上发表一项题为 Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons 的新研究,OPE客户端下载最新版本着解开这一谜团迈进了一步。研究人员通过发现斑马鱼的睡眠机制,并在小鼠上得到了证据支持,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:Molecular Cell

研究内容

睡眠可以修复神经元 DNA 损伤

当我们清醒时,神经元中会逐渐积累 DNA 损伤。这种损害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,每个细胞内的修复系统都会纠正 DNA 断裂。然而,神经元中的 DNA 损伤在清醒期间仍然持续累积,大脑中过度的 DNA 损伤会达到危险水平,因此必须降低 DNA 损伤。本研究表明睡眠可以募集 DNA 修复系统,促进有效修复,以帮助我们「重启」新的一天。

在一系列实验中,研究者试图确定 DNA 损伤的累积是否可能是触发睡眠状态的驱动因素。使用辐射、药理OPE客户端下载最新版本和光遗传OPE客户端下载最新版本多种实验方法,在斑马鱼上诱导 DNA 损伤,以评估其如何影响斑马鱼的睡眠。斑马鱼十分透明,具有与人类相似的大脑和夜间睡眠,是研究这种现象的完美模式生物。

实验表明,随着 DNA 损伤的增加,对睡眠的需求也增加了。在某个时刻,DNA 损伤的积累达到了最大阈值,并且睡眠(稳态)压力增加到一定程度,以至于触发了睡眠冲动,鱼进入了睡眠状态。随后的睡眠促进了 DNA 修复过程,从而减少了 DNA 损伤。

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图片来源:Molecular Cell

多少小时的睡眠才足够?

没有什么比睡个好觉更重要的了。在证实累积的 DNA 损伤是驱动睡眠过程的因素后,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,斑马鱼对光线中断很敏感,因此研究人员逐渐减少夜间的黑暗时间。在检测 DNA 损伤和睡眠后,确定每晚 6 个小时的睡眠足以减少 DNA 损伤。令人震惊的是,在夜间睡眠不足 6 个小时的时候,DNA 损伤并未充分减少,斑马鱼在白天也会继续睡眠。

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图片来源:Molecular Cell

PARP1 可以发出「该睡觉啦」的信号

为了促进有效 DNA 修复,大脑需要告诉我们该睡觉了,那么其潜在机制是怎样的?

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清除 DNA 损伤。根据 DNA 损伤,清醒时 PARP1 在 DNA 断裂位点的聚集增加,在睡眠时减少。通过遗传和药理OPE客户端下载最新版本操作,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。相反,PARP1 的抑制阻断了 DNA 损伤修复的信号。有趣的是,鱼没有完全意识到自己累了,并没有睡觉,也没有进行 DNA 损伤修复。

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图片来源:Molecular Cell

为了进一步确认在斑马鱼上的研究结果,研究者与特拉维夫大OPE客户端下载最新版本的 Yuval Nir 教授合作,使用脑电图在小鼠上检测了 PARP1 在调节睡眠中的作用。与斑马鱼上得到的结果相同,PARP1 活性的抑制降低了非快速眼动睡眠的持续时间和质量。Appelbaum 教授说道,「为了进行 DNA 修复,PARP1 通路能向大脑发出信号,让我们知道需要睡觉了」。

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图片来源:Molecular Cell

总结

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,提醒我们可以睡觉了,并在睡眠中进行 DNA 修复。

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在醒着的时候,神经元中 DNA 损伤的积累会增加疲劳。PARP1 蛋白(黄色头盔)作为「天线」,感知并标记细胞中的 DNA 断裂,驱动睡眠,并招募修复系统(绿色和蓝色头盔)。在睡眠期间,DNA 修复系统修复休息时间,使新的一天重新开始。红色是细胞体,蓝色是核仁,绿色是 DNA 损伤位点。(Credit by Dr. David Zada)

这些最新发现在单细胞水平上详细描述了睡眠的「发生链」,这种机制还可以用于解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病(如帕金森氏症和阿尔茨海默氏症)之间的联系。虽然目前研究仍停留在斑马鱼和小鼠模型阶段,但 Appelbaum 教授认为,「未来的研究将有助于将这种睡眠功能从低等无脊椎动物,最终应用到人类身上」。

感到累的时候,就好好睡上一觉吧!你睡的不是觉,是 DNA 修复。

参OPE客户端下载最新版本文献:

Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons 

关键词: DNA损伤 睡眠