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你熬过的夜,都体现在断裂的DNA上

2022-4-26 16:39| 编辑: 归去来兮| 查看: 1608| 评论: 0|来源: 生物探索

摘要: 熬夜行为势必会打乱正常睡眠周期,影响睡眠时长,由此留给DNA修复的时间大幅减少,而DNA断裂却不会止步不前。


导语:人的一生看似漫长,但三分之一的时间都在睡觉。其实,不止人类,自然界中的万物几乎都有规律性睡眠现象。睡眠现象背后的深层次原因,不仅你我好奇,科学家们也很好奇。生命科学的研究,归根结底都绕不开基因,这条研究路径同样适用于解答睡眠与基因的关系。


近期研究发现,人类需要睡眠或许是为了修复时时刻刻都在断裂的DNA。熬夜行为势必会打乱正常睡眠周期,影响睡眠时长,由此留给DNA修复的时间大幅减少,而DNA断裂却不会止步不前

睡眠期间的DNA修复
是如何调控的?
2021年11月18日,以色列巴伊兰大学生命科学学院和多学科脑研究中心科研团队在Molecular Cell发表了一篇题为“Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons”的研究(图1)[1]。此项研究发现DNA损伤是睡眠的稳态驱动因素,而Parp1通路感知细胞压力并促进睡眠和DNA修复活动
 

图1 研究成果(图源:[1])
 
此项研究选用斑马鱼和小鼠为研究对象,通过紫外线辐射、药物干预和光遗传学处理,诱导DNA损伤,并在单个神经元水平上分析睡眠在恢复核稳态中的作用。斑马鱼是科研常用的成熟睡眠模型,因为斑马鱼大脑透明、简单且具有与人类相似的夜间睡眠模式,其大脑的结构和功能,以及DNA损伤和修复系统,在哺乳动物中是保守的(图2)。研究结果如下:
 

图2 透明斑马鱼(图源:牛津大学)

1

 累积的DNA损伤是斑马鱼睡眠的原因


随着DNA损伤的增加,斑马鱼对睡眠的需求也显著增加。睡眠会增加神经元中Rad52和Ku80修复蛋白的聚集,从而使斑马鱼DNA损伤水平正常化。神经元DNA损伤水平与总睡眠时间之间存在很强的正相关(R=0.76),表明DNA损伤的数量可以预测修复所需的总睡眠时间。斑马鱼睡眠时神经细胞中的染色体移动速度是清醒时的两倍,这种运动使得受损的DNA能够自我重组和修复,如果斑马鱼的睡眠时间不足6小时,DNA损伤就并没有充分减少,在白天也会继续睡觉。


2

 Parp1调控清除神经元DNA损伤


Parp1是DNA损伤修复系统的一部分,对单链和双链DNA断裂有反应,是一种DNA损伤检测器,可用于DNA修复反应。Parp1在DNA断裂位点的聚集,在斑马鱼清醒时增加,睡眠时减少。Parp1可以感知到清醒时不断增加的DNA损伤,如果损伤达到某个阈值,它就向大脑发出信号,促进睡眠和DNA修复,从而减少DNA断裂。相反,如果抑制了Parp1,斑马鱼就不会去睡觉,DNA修复也不会发生。即使在强烈的睡眠压力下,Parp1敲除消除了DNA损伤诱导的睡眠、染色体动力学和修复(图3)。
 

图3 Parp1调控清除神经元DNA损伤的过程(图源:[1])
注:作为细胞“天线”,Parp1蛋白(黄色)感知和标记细胞中的DNA断裂,驱动睡眠,并招募修复系统(绿色和蓝色)。在睡眠期间,DNA修复系统会修复受损DNA。

3

 Parp1的敲除影响睡眠质量

 

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