Биологи из Израиля обнаружили, что продолжительность сна личинок данио-рерио регулируется количеством повреждений ДНК, накопленных нейронами за день.
Шести часов сна оказалось достаточно для того, чтобы ликвидировать эти повреждения и снизить гомеостатическое давление, заставляющее животное хотеть спать. Статья опубликована в журнале Molecular Cell.
Сон — это процесс, который необходим практически всем животным от медуз до человека. Сон регулируется циркадными ритмами (циклическими колебаниями биологических процессов, связанными со сменой дня и ночи) и гомеостатическим давлением сна (постепенно нарастающее желание спать), которое минимально при пробуждении и увеличивается пропорционально времени бодрствования. Количество сна, требующееся разным видам, чтобы снизить это давление, очень варьируется. Например, ночные обезьяны спят 17 часов в сутки, взрослому человеку требуется 7–8 часов сна, а диким слонам — около двух часов. Такое различие поднимает вопрос о том, какие механизмы регулируют продолжительность сна.
Один из процессов, активно идущих во время сна, — это репарация ДНК. Критическое значение сон имеет для нейронов: их активность приводит к накоплению повреждений ДНК, и значительное снижение уровня повреждений наблюдается именно во время сна. Два года назад ученые из Университета Бар-Илана под руководством профессора Лиора Аппельбаума (Lior Appelbaum) показали, что во время сна в нейронах происходят хромосомные перемещения, которые необходимы для более эффективной репарации. Свои исследования ученые проводили на личинках данио-рерио. Эти рыбки, как и люди, спят ночью, и за их сном удобно наблюдать с помощью ЭЭГ.
На этот раз научная группа Аппельбаума изучила, как повреждения ДНК влияют на гомеостатическое давление и продолжительность сна, а также исследовали молекулярные механизмы репарации, активирующиеся во время сна. Ученые снова использовали личинок данио-рерио, смену дня и ночи которым имитировали, изменяя освещение. Мозговую активность личинок регистрировали в течении двух суток, начиная с утра первого дня. Личинок разделили на несколько групп с разной продолжительностью сна в первую ночь. Контрольная группа в первую ночь спала 10 часов, а другие группы будили световыми вспышками по прошествии определенного времени. На вторую ночь депривации сна не происходило. Несмотря на то, что рыбки данио спят в темное время суток, мозговая активность, которая соответствовала сну, наблюдалась и днем. Если личинки спали два или четыре часа в первую ночь, то на следующий день период дневного сна увеличивался по сравнению с контролем. Это указывает на то, что двух или четырех часов недостаточно, чтобы ослабить гомеостатическое давление сна. В группе, которая в первую ночь спала шесть часов, такого удлинения дневного сна не происходило, и авторы сделали вывод, что шесть часов — это минимальное время, необходимое, чтобы ослабить гомеостатическое давление сна.
Чтобы оценить уровень повреждений ДНК после сна различной продолжительности, ученые использовали γH2AX — маркер двухцепочечных разрывов ДНК. Количество повреждений ДНК оценивали в течение первого дня, первой ночи (когда некоторые группы подвергались депривации сна) и на следующий день. К концу первого дня число повреждений ДНК было в два раза больше, чем в начале дня. К концу ночи уровень повреждений возвращался к норме в контрольной группе. Двух- и четырехчасовой сон не снижал число повреждений ДНК: оно оставалось таким же высоким как в конце первого дня или снижалось незначительно. При этом шесть часов сна снизили уровень повреждений ДНК до контрольного. Таким образом, шесть часов сна оказалось достаточно не только чтобы ослабить гомеостатическое давление сна, но и чтобы устранить повреждения ДНК, накопленные в течение дня.
Так как восстановление повреждений ДНК зависело от того, сколько времени спали личинки, исследователи решили проверить, влияет ли на продолжительность сна количество накопленных повреждений. Для индукции повреждений ДНК биологи использовали пентилентетразол (PTZ) — стимулятор нейрональной активности. Продолжительность сна определяли как количество минут в каждом часу, на протяжении которых ЭЭГ показывала волны, характерные для медленного сна. Сразу после добавления PTZ продолжительность сна и уровень γH2AX в нейронах увеличивались, при этом уровень повреждений ДНК возвращался к контрольному через три часа после добавления PTZ, а время сна — через пять.
Чтобы убедиться, что увеличение продолжительности сна связано с повреждениями ДНК, а не с побочными эффектами PTZ, биологи дополнительно использовали ультрафиолетовое излучение. После облучение ультрафиолетом уровень повреждений ДНК и продолжительность сна увеличивались. То, что ультрафиолет не вызывает стимуляции нейронов, проверили по уровню фосфорилированной формы киназы ERK — основного маркера нейрональной активности. После облучения ультрафиолетом изменений в уровне p-ERK не происходило, что значило, что все наблюдаемые эффекты вызваны повреждениями ДНК.
Авторы предположили, что сигналом ко сну может быть не просто накопление повреждений ДНК, но и активация ферментов репарации. Один из белков, участвующих в репарации, — это PARP1. Он узнает повреждения ДНК и привлекает к месту разрыва другие белки. Биологи изучили колебания количества PARP1 на протяжении цикла сон-бодрствование и обнаружили, что уровень PARP1 повышается в течение дня и снижается в течение ночи. Если происходила депривация сна, то уровень PARP1 на следующее утро был выше, чем в контрольной группе. Чтобы проверить, влияет ли количество PARP1 на продолжительность сна, биологи создали линию данио-рерио с увеличенной экспрессией гена PARP1 и линию, в которой экспрессия PARP1 была снижена. Продолжительность сна личинок с повышенной экспрессией PARP1 увеличивалась, а личинок с пониженной экспрессией — уменьшалась.
Помимо активности PARP1 биологи пронаблюдали за активностью других ферментов репарации. Для этого они трансгенные линии данио-рерио, у которых к белкам Rad52 (отвечает за гомологичную рекомбинацию) и Ku80 (отвечает за репарацию двунитевых разрывов) был пришит флуоресцентный белок GFP. Уровень флуоресценции Ku80 и Rad52 был низким в течение дня, но значительно повышался ночью. Если происходила депривация сна, уровень Ku80 и Rad52 оставался низким сразу после пробуждения и возвращался к норме только на следующую ночь после 8–9 часов .
Сон — важный физиологический процесс, и его нарушения обычно влияют на весь организм. Например, даже одна бессонная ночь повышает уровень тревожности, а еще увеличивает в крови количество тау-белка — маркера болезни Альцгеймера.
Автор: Наталья Кондратенко