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为什么人的一生中有三分之一的时间都在睡觉？为什么许多动物即使在面临捕食者威胁的情况下也要睡觉？关于睡眠如何有益于大脑和单个细胞一直是科学界的一个谜题 。 如今 ， 以色列巴伊兰大学的最新研究揭开了睡眠的神秘面纱 。
2021年11月18日 ， 以色列巴伊兰大学的研究人员在 Cell 子刊 Molecular Cell 上发表了题为：Parp1 promotes sleep which enhances DNA repair in neurons 的研究论文 。
该研究从单细胞水平对为什么需要睡眠进行了详细解释：在清醒状态下 ， 神经元中DNA损伤的积聚会增加睡眠压力 ， 而一种名为Parp1的蛋白质感知到这种不断增加的DNA损伤压力 ， 并发出睡眠信号 。 在睡眠期间 ， 细胞内进行了有效的DNA修复 ， 降低了驱动睡眠需求的细胞稳态压力 。
图解：在清醒的时候 ， 神经元中的DNA损伤积累会增加疲劳感 ， 促进睡眠；Parp1蛋白（ 黄色 头盔 ）感知并标记细胞中的DNA损伤 ， 驱动睡眠 ， 招募修复系统（ 绿色 和 蓝色 头盔）；睡眠期间 ， DNA修复系统修复DNA损伤 ， 重新开始新的一天 。
【我们为什么要睡觉？】睡眠行为与睡眠时间
睡眠伴随着对外界刺激反应的减弱 ， 是一种“脆弱的行为状态” 。 然而 ， 在整个进化过程中 ， 睡眠对所有有神经系统的生物都是普遍的和必不可少的 ， 包括无脊椎动物 ， 如果蝇、线虫 ， 甚至水母 。在睡眠上 ， 不同物种之间的区别在于所需的睡眠时间 。 例如 ， 成年人类每天大约睡7-8小时 ， 猫头鹰猴每天睡17小时 ， 而自由漫步的野生大象可能只睡2小时 。 这些不同的睡眠时间需求提出了基本问题——是什么决定了物种特有的睡眠时间？ 事实上 ， 在我们醒着的时候 ， 睡眠压力 （疲劳） 会在体内不断积聚 ， 随着清醒时间的延长 ， 这种压力也会越来越大 ， 而这种压力会在睡眠中减少 。 但是 ， 究竟是什么原因导致体内平衡压力上升到一定程度 ， 让我们觉得必须睡觉 ， 以及晚上发生了什么 ， 使得这种压力降低 ， 让我们准备好开始新的一天 ， 目前还不清楚 。
睡眠与DNA损伤修复
此前的研究表明 ， 在清醒的时候 ， DNA损伤会在神经元中积累 。 巴伊兰大学研究小组表示 ， 他们在小鼠和果蝇身上观察到 ， 清醒和神经元活动会诱导DNA双链断裂 （DSB） 的发生 。研究团队进行了一系列实验 ， 试图确定DNA损伤的积聚是否可能是体内平衡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动物模型 ， 他们可以利用斑马鱼来尝试识别细胞睡眠驱动因素 ， 并理解睡眠在恢复单个神经元水平的核稳态中的作用 。斑马鱼拥有绝对的透明度、夜间睡眠 ， 和与人类相似的简单大脑 ， 是研究这一现象的理想生物 。 更重要的是 ， 斑马鱼具有完善的睡眠模式 ， 它的大脑结构和功能 ， 以及DNA损伤和修复系统 ， 都与哺乳动物相似 。利用紫外线辐射、药理学干预和光遗传学 ， 研究人员诱导斑马鱼的DNA损伤 ， 以检查它如何影响它们的睡眠 。 结果表明 ， 随着DNA损伤的增加 ， 睡眠的需求也会增加 ， 在某一时刻 ， DNA损伤的积累达到了一个最大阈值 ， 并增加了睡眠压力 ， 以至于触发了睡眠的冲动 ， 斑马鱼就去睡觉了 。 随后的睡眠促进了DNA修复 ， 从而减少了DNA损伤 。作者表示：“我们的实验表明 ， 睡眠增加了神经元中Rad52和Ku80修复蛋白的聚集 ， 这使得DNA损伤水平正常化 。 ”
在睡眠和DNA损伤诱导后 ， Rad52和ku80的修复活性增加 在确定了累积的DNA损伤是驱动睡眠过程的力量后 ， 研究人员想进一步确定斑马鱼需要睡眠的最小时间 。 和人类一样 ， 斑马鱼对光线的干扰也很敏感 ， 所以可以通过光照来打断睡眠 ， 从而控制斑马鱼的睡眠时间 。
斑马鱼需要6小时的睡眠时间才足以使神经元DNA损伤恢复正常
研究结果表明 ， 每晚六小时的睡眠足以减少斑马鱼的DNA损伤 。 而且 ， 令人惊讶的是 ， 在睡眠时间不足6小时后 ， DNA损伤并没有充分减少 ， 斑马鱼甚至在白天也继续睡觉 。 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 ， 这表明DNA损伤的程度可以预测修复所需的总睡眠时间 。
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