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睡个好觉如此重要!科学家揭示睡眠重要功能:逆转大脑DNA损伤

“我喜欢睡觉,”大文豪海明威曾经说过。“当我醒着的时候,我的生活有崩溃的倾向。”

我们不禁会思考:人类为什么要“浪费”大约三分之一的生命去睡觉?动物为什么睡觉?在整个进化过程中,睡眠对所有具有神经系统的生物都是普遍和必需的,包括各种无脊椎动物,例如苍蝇、蠕虫,甚至结构更简单的水母。对于动物来说,尽管野外环境中来自掠食者的威胁不断,但动物们仍要“铤而走险”睡个好觉,其原因至今仍是个谜,这也被科学界认为是生命科学中最大的未解之谜之一。

近日,来自以色列巴伊兰大学的研究人员揭示了一种全新且令人意外的睡眠功能这或许可以解释睡眠及睡眠障碍如何影响大脑表现、衰老以及各种脑部疾病。相关文章于3月5日发表于Nature Communications期刊。利用活体斑马鱼的3D延时成像技术,研究人员得以在单个染色体分辨率下定义睡眠,并首次表明,神经元只有在睡眠状态下才能有效地修复基因损伤;睡眠能够增加染色体动力学,并清除机体在清醒状态时所积累的DNA损伤。也就是说,脑细胞中白天“破碎的”DNA会在睡眠期间得到高效逆转。

我认为这是我们需要睡觉的关键原因之一,”论文通讯作者、巴伊兰大学生命科学院Lior Appelbaum教授表示。“离线时间让我们有时间为第二天进行清理,让我们再次清醒之前给我们一个新的开始。”

研究人员表示,DNA损伤可以由许多过程引起,例如辐射、氧化应激,甚至神经元活动。细胞内的DNA修复系统可以对这种损伤进行修复。目前研究表明,在清醒状态下,当染色体动力学较低时,DNA损伤会持续累积并达到一种非安全水平。而睡眠的作用是增加染色体动力学,使每个神经元的DNA损伤水平恢复至正常化。显然,这种DNA“维护”过程在清醒状态时不够有效,因此需要进入“离线”的睡眠状态,减少对大脑的“输入”才能进行。

Lior Appelbaum教授说:“这就像道路上的坑洞。道路的磨损会不断累积,尤其是在白天的高峰时段,而在夜间交通畅通时修路是最方便和有效的。”Lior Appelbaum教授称DNA的损伤积累为“清醒的代价”。他假设睡眠巩固并同步了单个神经元内的细胞核修复,并着手证明这一理论。

图片来源:The Scientist

得益于斑马鱼模型的特点,其研究得以实现。鉴于其绝对的透明度和与人类非常相似的大脑,斑马鱼可谓这项研究的“完美”生物。为了找到答案,研究人员通过基因工程对斑马鱼进行了改造,使其神经元中的染色体带有彩色的化学标签。使用高分辨率显微镜,研究人员可以在鱼清醒和睡眠时观察细胞内DNA和核蛋白在鱼体内的运动,进而在生理条件下对活体动物体内的单细胞进行研究。他们十分惊讶地发现,当机体清醒时,染色体相对静止,并且不断累积双链断裂;当机体在夜间休息时,染色体会更加活跃,而这种增加的活性使得DNA损伤的修复效率得以提高,DNA损伤也开始急剧降低。进一步的实验表明,控制斑马鱼的睡眠会影响修复过程。例如,通过轻敲鱼缸来保持斑马鱼的清醒状态,可以促进更多双链断裂的积累,而用药物来诱导睡眠,则可以让细胞修复DNA。

图:活体斑马鱼染色体动力学(红色)和神经元活动(绿色)成像。图片来源:Bar-Ilan University

这项研究结果为染色体动力学作为定义单个睡眠细胞的潜在标志物奠定了基础,并提出睡眠的恢复作用正是基于对细胞核的“维护”。Lior Appelbaum教授表示:“我们发现,睡眠、染色体动力学、神经元活动、DNA损伤和修复与整个机体存在直接的生理学相关性。睡眠提供了一个减少清醒时大脑积累的DNA损伤的机会。”Appelbaum教授总结道,尽管存在环境意识降低的风险,但从水母到斑马鱼再到人类,还是必须睡觉才能使神经元进行有效的DNA维护,这可能正是睡眠在动物王国中进化并如此保守的原因。

在《卫报》对本研究的报道中,香港大学Siu-Wai Choi也表示:“从这项研究中可以清楚地看出,睡眠时的染色体动力学在修复受损DNA中起着至关重要的作用。”Siu-Wai Choi并未参与本项工作,但近期领导了一项关于睡眠剥夺和DNA损伤的研究。“虽然这些结果是在动物模型中获得的,但结合对人类进行的其他研究,它确实为我们的选择生活方式、转变工作模式和长期健康提供了思考。

或许,我们可以为健康做的最好的事情就是:睡个好觉!

参考资料:

1. D. Zada, I. Bronshtein, T. Lerer-Goldshtein, Y. Garini, L. Appelbaum. Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08806-w

2. Sleep Is Critical for the Zebrafish Brain to Repair DNA Damage

https://www.the-scientist.com/news-opinion/sleep-is-critical-for-the-zebrafish-brain-to-repair-dna-damage--65572

3. Sleep tight! Researchers identify the beneficial role of sleep

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190305170106.htm

4. Sleep helps to repair damaged DNA in neurons, scientists find

https://www.theguardian.com/science/2019/mar/05/sleep-helps-to-repair-damaged-dna-in-neurons-scientists-find

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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