新发现：好的睡眠“滋养”细胞！睡觉时细胞在修复DNA损伤

撰文｜摩西编辑｜南风

前言 /               

睡眠对于人的重要性不言而喻，人的一生要花三分之一的时间用在睡觉上。有趣的是，很多动物面对捕食者持续威胁的情况下也要睡觉。睡眠如何有益于大脑和单个细胞这个问题仍然是个谜，但巴伊兰大学的研究人员对斑马鱼和小鼠的研究，为解释睡眠以及睡眠过程中发生了什么提供了详细描述。

本号在之前的内容《回输一次安睡1年！干细胞技术将成为2亿失眠患者的福音！》中，曾提到过失眠患者在未来，有望借助干细胞技术解决睡眠障碍。而以往也有一些研究从细胞的微观层面阐述了睡眠对于健康的重要意义，接下来的这项新的研究也再次论证了这一观点。

巴伊兰大学研究结果表明，清醒期间神经元中DNA损伤的积聚会增加睡眠压力。一种叫做Parp1的蛋白质感知到这种不断增加的DNA 损伤，并在该睡觉的时候发出信号。在睡眠期间细胞内部发生有效的DNA修复，这降低了驱动睡眠需求的细胞稳态压力。

该团队由Bar-Ilan的Goodman生命科学学院和Gonda (Goldschmied) 多学科脑研究中心的教授 Lior Appelbaum 博士领导，他们认为以目前所发现的机制，有可能更好的解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病（例如帕金森病和阿尔茨海默病）之间的关系。Appelbaum 认为，未来的这类研究将从低等无脊椎动物开展到人类，并有助于解释睡眠的功能。

作者2021年11月18日在Molecular Cell上发表了一篇题为“Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons ”（Parp1促进睡眠，从而增强神经元DNA修复）的论文中，报告了得出的结论“DNA受损是睡眠的稳态驱动因素，以及Parp1通路感受这种细胞压力，促进睡眠和修复活动。

在醒着的时候，神经元中 DNA 损伤的累积会增加疲劳感。作为“信号接受天线”，PARP1 蛋白（黄色头盔状，图中上方）感知并标记细胞中的 DNA 断裂，驱动睡眠，并招募修复系统（绿色和蓝色头盔状，图中下方）。在睡眠期间，DNA 修复系统会修复断裂，让新的一天重新开始。红色是胞体（细胞体），蓝色是核仁，绿色（DNA 损伤位点）。

——

来源：参考资料[1]

睡眠伴随着对外部刺激的反应减弱，是一种“脆弱的行为状态”。然而，在物种进化过程中，睡眠对于所有具有神经系统的生物来说仍然是普遍和必不可少的，包括苍蝇、蠕虫甚至水母等无脊椎动物。物种之间的不同之处在于所需的睡眠量，成年人每天大约睡7-8个小时，而猫头鹰猴睡17个小时，自由漫步在草原上的野生大象可能只睡2个小时。“这些多样化的睡眠需求提出了基本问题——是什么决定了特定物种的充足睡眠，以及神经元修复的过程。

当我们清醒时，体内平衡的睡眠压力（疲倦）会积聚。我们保持清醒的时间越长，这种压力就会增加，而在经历一夜好眠后压力则会降低。但是什么导致体内平衡压力增加到我们觉得我们必须睡觉的程度，以及晚上会发生什么将这种压力降低到我们准备开始新的一天的程度，尚不清楚。“……驱动睡眠需求的细胞稳态机制以及稳态因素的特性尚不清楚，”研究人员评论道。

研究小组发现，在醒着的时候，在神经元中的DNA损伤会积累。“丰富的觉醒和神经元活动诱导小鼠和果蝇的DNA 双链断裂（DSB），”。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、氧化应激和酶促错误。在睡眠和清醒时间，每个细胞的内在修复系统会纠正这些DNA 断裂。然而，神经元中的 DNA 损伤在清醒期间继续累积，大脑中过度的 DNA 损伤会达到必须降低的危险水平。

Appelbaum 与博士后研究员 David Zada 博士及其同事进行的一系列实验试图确定 DNA 损伤的累积是否可能是体内平衡压力和随后的睡眠状态的驱动因素。科学家们首先将斑马鱼作为一种活的脊椎动物模型，他们可以用它来尝试识别细胞睡眠驱动因素，并在单个神经元水平上了解睡眠在恢复核稳态中的作用。

之所以选择斑马鱼作为研究模型，是因为其具有绝对的透明度的身体、夜间睡眠和与人类相似的简单大脑，是研究这种现象的完美有机体。斑马鱼是一种成熟的睡眠模型，其大脑的结构和功能，以及DNA损伤和修复系统，在哺乳动物中都很相似。

利用紫外线辐射、药物干预和光遗传学，研究人员在斑马鱼中诱导 DNA 损伤，以研究它如何影响它们的睡眠。他们的结果表明，随着 DNA 损伤的增加，对睡眠的需求也增加了。实验表明，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，以至于触发了睡眠的冲动，鱼进入了睡眠状态。随后的睡眠促进了 DNA 修复，从而减少了 DNA 损伤。研究人员表示：“我们的实验表明，睡眠会增加神经元中 Rad52 和 Ku80 修复蛋白的聚集，从而使 DNA 损伤水平正常化。”

在确定累积的 DNA 损伤是驱动睡眠过程的因素后，研究人员想看看他们是否可以确定斑马鱼需要睡眠的最短时间，以减少睡眠压力和 DNA 损伤。与人类相似，斑马鱼对光线干扰很敏感，因此也导致它们夜间的睡眠逐渐减少。

这些结果表明，每晚六小时的睡眠足以减少斑马鱼的 DNA 损伤。而且，令人震惊的是，在睡不够六个小时，甚至是白天补一觉也无济于事，DNA 损伤并没有得到充分的减少。这进一步表明神经元 DNA 损伤水平与总睡眠时间之间存在很强的正相关（R = 0.76），这表明 DNA 损伤的数量可以预测修复所需的总睡眠时间。

小小的斑马鱼需要睡够6小时才能修复DNA 损伤

——

来源：参考资料[1]

另一个悬而未解之谜是，大脑中告诉我们需要睡眠以促进有效 DNA 修复的机制是什么？研究小组指出，睡眠促进了 DNA 损伤修复 (DDR) 信号通路的活动，其中包括 DNA 损伤传感器、信号传感器和修复所需的效应蛋白。并以此推断DDR蛋白的激活可能会向生物体发出睡眠信号，以增加染色体动态并实现修复蛋白的有效合成。”

研究人员一直盯着一种叫做 PARP1 的蛋白质，它是DNA 损伤修复系统的一部分，对单链和双链 DNA 断裂有反应。PARP1负责标记细胞中的 DNA 损伤位点，并向所有相关系统发出清除 DNA 损伤的指示。

PARP-1 是一种 DNA损伤检测器，用于DNA修复反应

——

来源：参考资料[1]

根据 DNA 损伤，研究小组发现 DNA 断裂位点中 PARP1 的聚集在清醒期间增加，在睡眠期间减少。通过遗传和药理学操作，PARP1 的过表达和敲低 (KD) 表明增加 PARP1 促进睡眠，也增加了睡眠依赖性修复。相反，PARP1 的抑制阻断了 DNA 损伤修复的信号。研究人员表示：“鱼没有完全意识到自己累了，没有睡觉，也没有发生 DNA 损伤修复。即使在剧烈的困意来袭的情况下，抑制 Parp1 活性也会消除 DNA 损伤引起的睡眠、染色体动力学和修复。”

为了重复斑马鱼的研究结果，研究人员与特拉维夫大学的 Yuval Nir 博士合作，使用 EEG 进一步测试 PARP1 在调节小鼠睡眠中的作用。同样的结果表明，正如他们在斑马鱼身上看到的那样，抑制小鼠 PARP1 活性会降低非快速眼动 (NREM) 睡眠的持续时间和质量。

根据上图的研究模型表明，在果蝇、斑马鱼、小鼠和人类中，清醒时 DNA 损伤水平增加，睡眠时减少。

——

来源：参考资料[1]

在之前的一项研究中，Appelbaum 和他的团队使用 3D 延时成像也论证了PARP1 增加了睡眠和染色体动态，有利于修复清醒时间积累的DNA损伤。DNA修复过程需要进入睡眠期后才可启动。Appelbaum 指出，“PARP1 通路能够向大脑发出信号，告诉它需要睡眠才能进行 DNA 修复。”

总的来说：细胞和核标记物的成像，加上斑马鱼的行为监测，表明神经元 DNA 损伤可能是睡眠的驱动因素，以此来促进 DNA 启动修复。而好的睡眠，将有助于调节DNA 损伤和修复、以及细胞的健康，这项研究也为那些不按规律睡觉而引发的神经系统疾病、加速衰老等问题，带来了新的依据。

延伸阅读：《回输一次安睡1年！干细胞技术将成为2亿失眠患者的福音！》

关注细胞王国，欢迎评论区留言，留下您的观点。

参考资料

[1] https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.10.026

[2] Study Unpicks What Drives the Need for Sleep at the Cellular Level

扫描二维码，移步细胞星球社群，与更多行业人交流与链接

不想错过再生医学前沿精彩内容？

那就扫码关注+星标细胞王国主页吧！