為什么人的一生中有三分之一的時間都在睡覺？為什么許多動物即使在面臨捕食者威脅的情況下也要睡覺？關(guān)于睡眠如何有益于大腦和單個細胞一直是科學(xué)界的一個謎題。如今，以色列巴伊蘭大學(xué)的最新研究揭開了睡眠的神秘面紗。
2021年11月18日，以色列巴伊蘭大學(xué)的研究人員在 Cell 子刊 Molecular Cell 上發(fā)表了題為：Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons 的研究論文。
該研究從單細胞水平對為什么需要睡眠進行了詳細解釋：在清醒狀態(tài)下，神經(jīng)元中DNA損傷的積聚會增加睡眠壓力，而一種名為Parp1的蛋白質(zhì)感知到這種不斷增加的DNA損傷壓力，并發(fā)出睡眠信號。在睡眠期間，細胞內(nèi)進行了有效的DNA修復(fù)，降低了驅(qū)動睡眠需求的細胞穩(wěn)態(tài)壓力。（微信號：jkzx115）
圖解：在清醒的時候，神經(jīng)元中的DNA損傷積累會增加疲勞感，促進睡眠；Parp1蛋白（黃色頭盔）感知并標記細胞中的DNA損傷，驅(qū)動睡眠，招募修復(fù)系統(tǒng)（綠色和藍色頭盔）；睡眠期間，DNA修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)DNA損傷，重新開始新的一天。
睡眠行為與睡眠時間
睡眠伴隨著對外界刺激反應(yīng)的減弱，是一種“脆弱的行為狀態(tài)”。然而，在整個進化過程中，睡眠對所有有神經(jīng)系統(tǒng)的生物都是普遍的和必不可少的，包括無脊椎動物，如果蠅、線蟲，甚至水母。
在睡眠上，不同物種之間的區(qū)別在于所需的睡眠時間。例如，成年人類每天大約睡7-8小時，貓頭鷹猴每天睡17小時，而自由漫步的野生大象可能只睡2小時。這些不同的睡眠時間需求提出了基本問題——是什么決定了物種特有的睡眠時間？
事實上，在我們醒著的時候，睡眠壓力（疲勞）會在體內(nèi)不斷積聚，隨著清醒時間的延長，這種壓力也會越來越大，而這種壓力會在睡眠中減少。但是，究竟是什么原因?qū)е麦w內(nèi)平衡壓力上升到一定程度，讓我們覺得必須睡覺，以及晚上發(fā)生了什么，使得這種壓力降低，讓我們準備好開始新的一天，目前還不清楚。
睡眠與DNA損傷修復(fù)
此前的研究表明，在清醒的時候，DNA損傷會在神經(jīng)元中積累。巴伊蘭大學(xué)研究小組表示，他們在小鼠和果蠅身上觀察到，清醒和神經(jīng)元活動會誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂（DSB）的發(fā)生。
研究團隊進行了一系列實驗，試圖確定DNA損傷的積聚是否可能是體內(nèi)平衡壓力和隨后睡眠狀態(tài)的驅(qū)動因素?？茖W(xué)家們首先將斑馬魚作為動物模型，他們可以利用斑馬魚來嘗試識別細胞睡眠驅(qū)動因素，并理解睡眠在恢復(fù)單個神經(jīng)元水平的核穩(wěn)態(tài)中的作用。
斑馬魚擁有絕對的透明度、夜間睡眠，和與人類相似的簡單大腦，是研究這一現(xiàn)象的理想生物。更重要的是，斑馬魚具有完善的睡眠模式，它的大腦結(jié)構(gòu)和功能，以及DNA損傷和修復(fù)系統(tǒng)，都與哺乳動物相似。
神經(jīng)元活動和紫外線誘導(dǎo)的DNA損傷促進睡眠
利用紫外線輻射、藥理學(xué)干預(yù)和光遺傳學(xué)，研究人員誘導(dǎo)斑馬魚的DNA損傷，以檢查它如何影響它們的睡眠。結(jié)果表明，隨著DNA損傷的增加，睡眠的需求也會增加，在某一時刻，DNA損傷的積累達到了一個最大閾值，并增加了睡眠壓力，以至于觸發(fā)了睡眠的沖動，斑馬魚就去睡覺了。隨后的睡眠促進了DNA修復(fù)，從而減少了DNA損傷。
作者表示：“我們的實驗表明，睡眠增加了神經(jīng)元中Rad52和Ku80修復(fù)蛋白的聚集，這使得DNA損傷水平正?；?。”
在睡眠和DNA損傷誘導(dǎo)后，Rad52和ku80的修復(fù)活性增加
在確定了累積的DNA損傷是驅(qū)動睡眠過程的力量后，研究人員想進一步確定斑馬魚需要睡眠的最小時間。和人類一樣，斑馬魚對光線的干擾也很敏感，所以可以通過光照來打斷睡眠，從而控制斑馬魚的睡眠時間。
斑馬魚需要6小時的睡眠時間才足以使神經(jīng)元DNA損傷恢復(fù)正常
研究結(jié)果表明，每晚六小時的睡眠足以減少斑馬魚的DNA損傷。而且，令人驚訝的是，在睡眠時間不足6小時后，DNA損傷并沒有充分減少，斑馬魚甚至在白天也繼續(xù)睡覺。研究小組進一步指出——神經(jīng)元DNA損傷水平與總睡眠時間之間存在很強的正相關(guān)，這表明DNA損傷的程度可以預(yù)測修復(fù)所需的總睡眠時間。
Parp1促發(fā)大腦睡眠
如果睡眠是為了修復(fù)DNA損傷，那么又引出一個問題——大腦中的什么機制告訴我們需要睡眠才能促進高效的DNA修復(fù)？
對此，研究小組指出，睡眠促進DNA損傷修復(fù)（DDR）信號通路的活動，該通路包括修復(fù)所需的DNA損傷傳感器、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器和效應(yīng)蛋白。DDR蛋白的激活可能會向生物體發(fā)出睡眠信號，以增加染色體的動態(tài)，并使修復(fù)蛋白的有效組裝成為可能。
Parp1調(diào)節(jié)DNA損傷引起的睡眠
研究人員將目光聚焦于一種名為Parp1的蛋白質(zhì)，它是DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的一部分，對單鏈和雙鏈DNA斷裂做出反應(yīng)。Parp1標記細胞中的DNA損傷位點，并召集所有相關(guān)系統(tǒng)清除DNA損傷。
研究小組發(fā)現(xiàn)，Parp1在DNA斷裂位點的聚集性在清醒時增加，在睡眠時減少。通過基因和藥理學(xué)操縱，Parp1基因的過表達和敲低顯示，Parp1過表達會促進睡眠，也增加睡眠依賴性修復(fù)。相反，Parp1的敲低阻斷了DNA損傷修復(fù)的信號，這造成了一個十分有趣的結(jié)果：這些斑馬魚并沒有完全意識到自己累了，就沒有去睡覺，也沒有進行DNA損傷修復(fù)。
為了增強研究的說服力，研究團隊進一步在小鼠中進行了相似的實驗——利用腦電圖進一步測試Parp1在調(diào)節(jié)小鼠睡眠中的作用。研究結(jié)果表明，正如他們在斑馬魚身上所看到的，Parp1基因敲低的小鼠的非快速眼動睡眠（NREM）的持續(xù)時間和質(zhì)量都降低了。
睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的細胞機制
本研究的通訊作者 Lior Appelbaum 博士指出，在神經(jīng)元清醒時，DNA修復(fù)的維持過程可能不夠有效，因此需要一個離線睡眠期，減少對大腦的信息輸入。Parp1通路能夠向大腦發(fā)出信號——為了DNA修復(fù)，大腦需要睡眠。（微信號：jkzx115）
結(jié)語
總而言之，這項研究通過細胞和核標記成像，加上斑馬魚和小鼠的行為監(jiān)測，證實了神經(jīng)元DNA損傷可能是導(dǎo)致睡眠的重要原因——即大腦需要睡眠來促進DNA修復(fù)活動，在這個過程中，Parp1是一種重要的睡眠計時器，它會在DNA損傷到達一定程度時，對大腦發(fā)出睡眠的指令，促進睡眠過程的發(fā)生。
本研究的模式圖
研究團隊表示，這些發(fā)現(xiàn)將有助于理解清醒狀態(tài)與睡眠之間的因果聯(lián)系，并可能指導(dǎo)衰老和神經(jīng)退行性疾病的治療.
