研究揭示了细胞水平上睡眠需求的驱动因素

为什么人类一生有三分之一的时间都在睡觉?为什么动物会睡觉，即使可能有捕食者的持续威胁?睡眠如何有益于大脑和单个细胞的问题仍然是一个谜，但巴伊兰大学研究人员对斑马鱼和小鼠的研究现在提供了解释睡眠的“事件链”的详细描述。-细胞水平。他们的结果表明，清醒时神经元中DNA损伤的积累会增加睡眠压力。一种名为Parp1的蛋白质能够感知到这种不断增加的DNA损伤，并在该睡觉时发出信号。睡眠期间会发生有效的DNA修复，从而降低驱动睡眠需求的细胞稳态压力。

该团队由巴伊兰古德曼生命科学学院和贡达(戈德施米德)多学科大脑研究中心教授LiorAppelbaum博士领导的研究小组表明，所发现的机制可能解释睡眠障碍、衰老和神经退行性疾病之间的联系，例如帕金森病和阿尔茨海默病。阿佩尔鲍姆认为，未来的研究将有助于将这种睡眠功能应用于其他动物，从低等无脊椎动物到最终的人类。

作者在《分子细胞》杂志上发表了一篇题为“Parp1促进睡眠，从而增强神经元DNA修复”的论文，报告了他们的发现，其中他们的结论是，他们的结果“证明DNA损伤是睡眠的稳态驱动因素，而Parp1通路感知这种细胞压力并促进睡眠和修复活动。”

作者写道，睡眠伴随着对外部刺激的反应能力下降，是一种“脆弱的行为状态”。然而，在整个进化过程中，睡眠对于所有具有神经系统的生物体来说仍然是普遍且必不可少的，包括无脊椎动物，如苍蝇、蠕虫，甚至水母。作者继续说，物种之间的不同之处在于所需的睡眠时间。成年人每天的睡眠时间约为7-8小时，而猫头鹰猴的睡眠时间为17小时，而自由漫步的野象可能只睡2小时。“这些不同的睡眠要求提出了一些基本问题：什么决定了物种特定的充足睡眠量，以及恢复性神经过程是什么?”

当我们清醒时，体内会产生稳态睡眠压力(疲劳)。我们保持清醒的时间越长，这种压力就会增加，并且在睡眠期间会减少，在经过充分而良好的睡眠后达到最低值。但是，是什么导致体内平衡压力增加到我们觉得必须去睡觉的程度，以及晚上发生什么情况才能将这种压力降低到我们准备好开始新的一天的程度，目前还不清楚。“......驱动睡眠需求的细胞稳态机制以及稳态因素的身份尚不清楚，”研究人员评论道。

研究表明，在醒着的时候，DNA损伤会在神经元中积累。研究小组继续说道：“丰富的清醒状态和神经元活动会导致小鼠和果蝇的DNA双链断裂(DSB)。”这种损伤可能是由多种因素引起的，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，每个细胞内的修复系统都会纠正这些DNA断裂。然而，在清醒状态下，神经元中的DNA损伤会继续累积，大脑中过度的DNA损伤可能会达到必须减少的危险水平。

Appelbaum与博士后研究员DavidZada博士及其同事进行了一系列实验，试图确定DNA损伤的积累是否可能是稳态压力和随后睡眠状态的驱动因素。科学家们首先将斑马鱼作为活体脊椎动物模型，他们可以用它来尝试识别细胞睡眠驱动因素，并了解睡眠在恢复单个神经元水平的核稳态中的作用。

斑马鱼具有绝对的透明性、夜间睡眠以及与人类相似的简单大脑，是研究这种现象的完美生物体。科学家们表示：“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损伤和修复系统与哺乳动物一样保守。”

研究人员利用紫外线辐射、药物干预和光遗传学，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，对睡眠的需求也随之增加。实验表明，在某个时刻，DNA损伤的累积达到了最大阈值，睡眠(稳态)压力增加到了触发睡眠冲动的程度，鱼就进入了睡眠状态。随后的睡眠促进DNA修复，从而减少DNA损伤。“我们的因果实验表明，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力量后，研究人员想看看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。与人类类似，斑马鱼对光线中断很敏感，因此夜间的黑暗期逐渐减少。

这些结果表明，每晚六个小时的睡眠足以减少斑马鱼的DNA损伤。令人惊讶的是，睡眠不足六个小时后，DNA损伤并未充分减少，斑马鱼甚至在白天仍继续睡眠。研究小组进一步指出：“神经元DNA损伤水平与总睡眠时间之间存在很强的正相关性(R=0.76)，这表明DNA损伤量可以预测修复所需的总睡眠时间。”

在醒着的时候(上图)，神经元中DNA损伤的积累会增加疲劳感。PARP1蛋白(黄色头盔)充当“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，底部)。在睡眠期间，DNA修复系统会修复断裂的部分，从而为新的一天带来新的开始。红色是胞体(细胞体)，蓝色是核仁，绿色是(DNA损伤位点)。[大卫·扎达博士]

另一个问题是大脑中的机制是什么告诉我们需要睡眠以促进有效的DNA修复?研究小组指出，睡眠促进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。“……我们推断，DDR蛋白的激活可能会向生物体发出睡眠信号，以增加染色体动力学并实现修复蛋白的有效组装。”

研究人员重点研究了一种名为PARP1的蛋白质，它是DNA损伤修复系统的一部分，并对单链和双链DNA断裂做出反应。PARP1标记细胞中的DNA损伤位点，并招募所有相关系统来清除DNA损伤。“PARP-1是一种DNA损伤检测器，它被招募来参与DNA修复反应，”他们指出。

根据DNA损伤，研究小组发现DNA断裂位点中PARP1的聚集在清醒时增加，在睡眠时减少。通过遗传和药理学操作，PARP1的过度表达和敲低(KD)表明，增加PARP1可以促进睡眠，并增加睡眠依赖性修复。相反，抑制PARP1会阻断DNA损伤修复信号。结果，鱼并没有完全意识到自己累了，没有入睡，DNA损伤修复也没有发生。研究人员表示：“即使在强烈的睡眠压力下，Parp1活性的抑制也能消除DNA损伤引起的睡眠、染色体动力学和修复。”

为了强化斑马鱼的研究结果，研究人员与特拉维夫大学的YuvalNir​​博士合作，利用脑电图进一步测试PARP1在调节小鼠睡眠中的作用。这些结果表明，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。“这些结果将斑马鱼幼虫的结果扩展到三个不同的维度，通过(1)在哺乳动物中建立它们，(2)在成年动物中建立它们，以及(3)通过表明Parp1影响睡眠深度，而不仅仅是其对睡眠持续时间的影响，”团队表示。

在之前的一项研究中，Appelbaum和团队使用3D延时成像来确定睡眠会增加染色体动力学。将当前的部分添加到拼图中，PARP1可以增加睡眠和染色体动力学，从而有助于有效修复清醒时积累的DNA损伤。在神经元清醒的时候，DNA的维持过程可能不够有效，因此需要一个离线睡眠期，减少对大脑的输入，才能发生。Appelbaum指出，“PARP1通路能够向大脑发出信号，表明它需要睡眠才能进行DNA修复。”

作者总结道：“在这里，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损伤可以成为睡眠的驱动因素，从而促进DNA修复活动……我们的发现是，睡眠调节DNA损伤和DNA损伤之间的神经元平衡。”修复以及细胞的健康为未来关注睡眠、衰老和神经退行性疾病之间因果关系的工作奠定了基础。”

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