Исследование: потребность во сне объяснили необходимостью восстановления нейронов ДНК, поврежденных во время бодрствования

07:45 22 Ноябрь Киев, Украина

Исследование ученых из Израиля, проведенное на животных, показало, что накопление в нейронах повреждений ДНК в течение бодрствования приводит к нарастанию сонливости и засыпания, тогда как во время сна дефекты более эффективно исправляются. Ключевую роль в процессе приписали белку Parp1, который обнаруживает повреждения, способствует сну и запуску эффективных процессов репарации ДНК во время сна. Статья опубликована в журнале Molecular Cell .

Что заинтересовало во сне исследователей?

Вопреки длительной истории изучений, сон остается довольно непонятным процессом. Потребность во сне проявляется у представителей разных групп организмов — от животных с простой нервной системой, таких как медуз, до насекомых, рыб и млекопитающих со сложным мозгом. Все эти животные спят, несмотря на то, что в таком состоянии они гораздо более уязвимы к приступам хищников. Очевидно, что над этим риском преобладают определенные выгоды от сна. Опыты показали , что расстройства сна и его депривация приводят к повреждению нервной системы и связаны с нейродегенеративными заболеваниями и старением. Но почему продолжительность сна у разных видов неодинакова, с сильными вариациями?

Время, продолжительность и качество сна определяется взаимодействием между внутренними биологическими часами и гомеостатическим давлением сна — постепенным накоплением с увеличением времени и интенсивности бодрствования факторов, увеличивающих усталость и сонливость. Каковы именно эти факторы, тоже непонятно, но исследования указывают на то , что длительное бодрствование и нейрональная активность вызывают двуцепные разрывы ДНК в нейронах мышей и мух, количество которых уменьшается в процессе спания. У людей недостаток сна тоже приводитк повреждению в клетках ДНК и уменьшению экспрессии генов, вовлеченных в ее репарацию. Поэтому ученые из Университета имени Бар-Илана и Тель-Авивского университета решили проверить, может ли быть фактором гомеостатического давления, которое побуждает ко сну именно накопление дефектов. Тогда различия в продолжительности сна разных видов можно было бы объяснить восприимчивостью ДНК к повреждениям и различиями в воздействии на них мутагенных факторов.

Как изучали связь повреждений ДНК и сна?

Исследования провели на животных - рыбках данио рерио ( Danio rerio ). Это популярные модельные организмы, в особенности при исследовании устройств сна. Работа мозга, процессы повреждения и репарации ДНК у них сходны с таковыми у млекопитающих. В них также выявили изменения мозговой активности во время сна, напоминающие фазы медленного сна и быстрых движений глаз (REM-сон), свойственных человеку. Кроме этого, данные рерио являются удобными моделями, поскольку на личиночной стадии прозрачны, что позволяет легче наблюдать за работой отдельных органов и клеток испытуемых.

Сначала ученые проверили, как будет меняться продолжительность сна рыбок, если вмешаться в их обычный режим активности, и сколько сна им достаточно, чтобы снизить гомеостатическое давление. Далее они выясняли, побуждает ли животных ко сну индуцировать повреждение ДНК их нейронов ультрафиолетовым излучением или нейрональной активностью. Для усиления последней ученые применили препарат, что приводит к сильному увеличению мозговой активности. В конце концов, ученые сравнили у рыбок экспрессию генов, вовлеченных в процессы репарации ДНК, в течение дня, ночи, а также после депривации сна. Так они стремились исследовать механизм исправления ошибок ДНК во время сна.

Что нового узнали о повреждениях и репарации ДНК и сне?
Опыты показывают, что для понижения гомеостатического давления сна рыбкам достаточно поспать шесть часов в течение ночи. Если препятствовать этому и уменьшить продолжительность ночного сна менее шести часов, исправление дефектов ДНК происходит менее эффективно, и животные склонны чаще засыпать днем, чтобы наверстать недостаток.

Последующие опыты показали, что после того, как в нейронах рыбок повлекли повреждение ДНК увеличением нейрональной активности или влиянием ультрафиолета, время сна животных существенно увеличилось. Это свидетельствует в пользу предположения, что повреждение ДНК, независимо от его причин, способствует наступлению сна.

В работе отмечается, что во время сна в клетках нейронов накапливаются белки, помогающие снизить количество дефектов ДНК, в частности Rad52 и Ku80. И ключевую роль в процессе играет белок Parp1. Он является детектором двухцепочечных повреждений ДНК и накапливается в соответствующих участках, обозначая их в течение времени бодрствования и запускает репаративные процессы во время сна, в частности, усиление хромосомной динамики, что способствует улучшению эффективности репарации соответствующими белками. Искусственное увеличение экспрессии Parp1 в данных рерио приводило к увеличению времени сна и более эффективному восстановлению впечатлений ДНК. В то время как блокировка белка, напротив, делала рыбок бодрыми вопреки накоплению повреждений, исправление которых оказалось нарушенным. Это наводит на мысль. что именно Parp1 ответственен за наступление сна. Опыты на мышах тоже подтвердили роль Parp1 в содействии сну:

Ученые подытоживают, что Parp1 сигнализирует о повреждении ДНК, способствует засыпанию для активации репарационных процессов и уменьшению гомеостатического давления. В то же время, его недостаток маскирует потребность во сне, даже при увеличении количества повреждений ДНК. Ученые отмечают, что это может объяснить, почему пациенты с раком, принимающие ингибиторы PARP1, испытывают хроническую усталость: вероятно, из-за лекарств у них нарушается сон и гомеостатическое давление не снижается, а значит, усталость остается. Авторы надеются, что последующие исследования помогут лучше выяснить, как связаны сон, старение и нейродегенеративные заболевания.