Біологія
Біологія

Потребу в сні пояснили необхідністю виправлень ДНК у нейронах

Дослідження вчених з Ізраїлю, проведене на тваринах, показало, що накопичення у нейронах пошкоджень ДНК протягом неспання призводить до наростання сонливості та засинання, тоді як під час сну дефекти ефективніше виправляються. Ключову роль у процесі приписали білкові Parp1, який виявляє пошкодження, сприяє сну та запуску ефективних процесів репарації ДНК під час спання. Стаття опублікована в журналі Molecular Cell.

Unsplash

Unsplash

Що зацікавило у сні дослідників?

Всупереч тривалій історії вивчень, сон залишається доволі незрозумілим процесом. Потреба у сні проявляється у представників різних груп організмів — від тварин із простою нервовою системою, як-от медуз, до комах, риб та ссавців зі складним мозком. Всі ці тварини сплять, попри те, що у такому стані вони набагато вразливіші до нападів хижаків. Очевидно, над цим ризиком переважають певні вигоди від сну. Досліди показали, що розлади сну та його депривація призводять до пошкодження нервової системи і пов'язані з нейродегенеративними захворюваннями та старінням. Але чому ж тривалість сну в різних видів неоднакова, із сильними варіаціями?

Час, тривалість та якість сну визначається взаємодією між внутрішнім біологічним годинником та гомеостатичним тиском сну — поступовим накопиченням зі збільшенням часу та інтенсивності неспання факторів, які збільшують втому та сонливість. Якими саме є ці фактори, теж незрозуміло, але дослідження вказують, що тривале неспання та нейрональна активність спричиняють дволанцюгові розриви ДНК у нейронах мишей і мух, кількість яких зменшується у процесі спання. У людей нестача сну теж призводить до пошкодження у клітинах ДНК та зменшення експресії генів, залучених до її репарації. Тому вчені з Університету імені Бар-Ілана та Тель-Авівського університету вирішили перевірити, чи може бути чинником гомеостатичного тиску, який спонукає до сну, саме накопичення дефектів. Тоді відмінності у тривалості сну різних видів можна було би пояснити сприйнятливістю ДНК до пошкоджень та відмінностями у впливі на них мутагенних факторів.

Як вивчали зв'язок пошкоджень ДНК та сну?

Дослідження провели на тваринах — рибках даніо реріо (Danio rerio). Це популярні модельні організми, особливо при вивченні механізмів сну. Робота мозку, процеси пошкодження та репарації ДНК у них подібні з такими у ссавців. У них також виявили зміни мозкової активності під час спання, що нагадують фази повільного сну та швидких рухів очей (REM-сон), властивих людині. Крім цього, даніо реріо є зручними моделями, оскільки на личинковій стадії прозорі, що дає змогу легше спостерігати за роботою окремих органів та клітин піддослідних.

Спочатку вчені перевірили, як змінюватиметься тривалість сну рибок, якщо втрутитися в їхній звичайний режим активності, та скільки сну їм достатньо, щоб знизити гомеостатичний тиск. Далі вони з'ясовували, чи спонукатиме тварин до сну індукування пошкодження ДНК їхніх нейронів ультрафіолетовим випромінюванням або нейрональною активністю. Для посилення останньої вчені застосували препарат, що спричиняє сильне збільшення мозкової активності. Зрештою, науковці порівняли у рибок експресію генів, залучених у процесах репарації ДНК, протягом дня, ночі, а також після депривації сну. Так вони прагнули дослідити механізм виправлення помилок ДНК під час спання.

Що нового дізналися про пошкодження і репарацію ДНК та сон?

Досліди показують, що для зниження гомеостатичного тиску сну рибкам достатньо поспати шість годин протягом ночі. Якщо перешкоджати цьому та зменшити тривалість нічного сну до менш як шести годин, виправлення дефектів ДНК відбувається менш ефективно, і тварини схильні частіше засинати вдень, щоб надолужити нестачу.

Наступні досліди вказали, що після того, як у нейронах рибок спричинили пошкодження ДНК збільшенням нейрональної активності або впливом ультрафіолету, час сну тварин суттєво збільшився. Це свідчить на користь припущення, що пошкодження ДНК, незалежно від його причин, сприяє настанню сну.

У роботі зазначається, що під час сну в клітинах нейронів накопичуються білки, які допомагають знизити кількість дефектів ДНК, зокрема Rad52 та Ku80. І ключову роль у процесі відіграє білок Parp1. Він є детектором дволанцюгових пошкоджень ДНК і накопичується у відповідних ділянках, позначаючи їх протягом часу неспання та запускає репаративні процеси під час сну, зокрема через посилення хромосомної динаміки, що сприяє покращенню ефективності репарації відповідними білками. Штучне збільшення експресії Parp1 у даніо реріо призводило до збільшення часу сну та ефективнішого відновлення вражень ДНК. Тоді як блокування білка, навпаки, робило рибок бадьорими всупереч накопиченню пошкоджень, виправлення яких виявилося порушеним. Це наводить на думку. що саме Parp1 відповідальний за настання сну. Досліди на мишах теж підтвердили роль Parp1 в сприянні сну: коли тваринам його пригнічували, у них суттєво скорочувалася тривалість та якість повільного сну.

Вчені підсумовують, що Parp1 сигналізує про пошкодження ДНК, сприяє засинанню для активації репараційних процесів та зменшення гомеостатичного тиску. Водночас його нестача маскує потребу в сні, навіть при збільшенні кількості пошкоджень ДНК. Науковці зазначають, що це може пояснити, чому пацієнти з раком, які приймають інгібітори PARP1, відчувають хронічну втому: ймовірно, через ліки у них порушується сон і гомеостатичний тиск не знижується, а значить, втома залишається. Автори сподіваються, що наступні дослідження допоможуть краще з'ясувати, як пов'язані сон, старіння та нейродегенеративні захворювання.