別熬夜了！只有睡覺，才能拯救你正在斷裂的DNA

目前，關(guān)于睡眠的驅(qū)動要素及其如何緩解細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力的具體機制仍不明確。在果蠅、斑馬魚、小鼠和人類中，清醒時 DNA 損傷水平增加，睡眠時減少。據(jù)Molecular Cell"Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons"研究表明 6 小時的綜合睡眠足以減少斑馬魚背側(cè)皮層中的 DNA 損傷。神經(jīng)元活動和誘變劑誘導 DNA 損傷引發(fā)睡眠和 DNA 修復(fù)。DNA 損傷反應(yīng) (DDR) 蛋白 Rad52 和 Ku80 的活性在睡眠期間增加，染色體動力學增強了 Rad52 活性。DDR 引發(fā)劑聚（ADP-核糖）聚合酶 1 (Parp1) 的活性在睡眠剝奪后增加。在幼蟲斑馬魚和成年小鼠中，Parp1 促進睡眠。Parp1 活性的抑制減少了依賴睡眠的染色體動態(tài)和修復(fù)。這些結(jié)果表明 DNA 損傷是睡眠的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動因素，而 Parp1 通路可以感知這種細胞壓力并促進睡眠和修復(fù)活動。睡眠伴隨著對外部刺激的反應(yīng)減弱，是一種脆弱的行為狀態(tài)。然而，睡眠在整個系統(tǒng)發(fā)育過程中都是進化保守的，所有研究過的具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動物，包括水母、蠕蟲、軟體動物、果蠅、魚類、爬行動物、鳥類、嚙齒動物和人類，都需要睡眠。睡眠障礙會導致神經(jīng)損傷，并與神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病和衰老有關(guān)。雖然睡眠對所有動物來說都是必不可少的，但每天的睡眠量因物種而異。成年人每天大約睡 7-8 小時，貓頭鷹猴睡17 小時，而野生大象只睡 2 小時。這些不同的睡眠需求提出了基本問題：什么決定了特定物種的充足睡眠，以及恢復(fù)性神經(jīng)過程是什么？

生物鐘與體內(nèi)平衡的睡眠需求共同影響著睡眠的時長、持續(xù)性和質(zhì)量，其中睡眠需求在長時間保持清醒狀態(tài)下會逐漸累積。體內(nèi)平衡因素被認為會隨著睡眠前覺醒的持續(xù)時間和強度的增加而積累。然而，驅(qū)動睡眠需求的細胞穩(wěn)態(tài)機制以及穩(wěn)態(tài)因素的特性尚不清楚。廣泛的研究提出了各種可能性，包括有毒代謝物的積累，細胞對能量、供應(yīng)和大分子的需求增加，突觸數(shù)量和強度的增加以及升高的神經(jīng)損傷和細胞應(yīng)激。

在小鼠和果蠅體內(nèi)，提高的覺醒狀態(tài)和神經(jīng)活動水平會導致DNA雙鏈斷裂的發(fā)生。神經(jīng)元中 DNA 損傷的修復(fù)比分裂細胞中的要慢，這表明損傷可以在清醒期間積累。事實上，DSB 在斑馬魚幼蟲清醒時會在它們的神經(jīng)元中積累。相比之下，睡眠會增加染色體動態(tài)，從而降低神經(jīng)元 DNA 損傷的水平。同樣，睡眠剝奪 (SD) 會增加 DNA 損傷并降低人類血細胞中 DNA 修復(fù)基因的表達。這些研究表明，睡眠促進核維持，即睡眠調(diào)節(jié) DNA 損傷和修復(fù)之間的平衡。然而，目前尚不清楚在睡眠期間 DNA 損傷的形成是否受到抑制，或者修復(fù)系統(tǒng)的活動是否受到更多刺激。

闡明與睡眠、DNA 損傷和修復(fù)相關(guān)的潛在機制具有挑戰(zhàn)性。在秀麗隱桿線蟲中，CEP-1 促進了壓力誘導的睡眠，CEP-1 是 DNA 損傷反應(yīng) (DDR) 通路的成員。DDR 包括四個主要途徑：同源重組 (HR)、非同源末端連接 (NHEJ)、堿基切除修復(fù) (BER) 和核苷酸切除修復(fù) (NER)。每個都涉及不同的修復(fù)蛋白組合，這些蛋白依次被募集到受損部位。

在DDR（DNA損傷響應(yīng)）中，首生的事件是所有相關(guān)途徑共有的初始步驟。，是聚（ADP-核糖）聚合酶-1（PARP-1）募集到損傷部位。PARP-1 是 DNA 損傷的檢測器，可促進下游 DDR 蛋白的積累。這些核蛋白可用作標記，以識別特定基因組位點中的修復(fù)并區(qū)分不同途徑。例如，RAD52 和 RAD51 在 DSB 切除過程中是活躍的，這是 HR 中的關(guān)鍵步驟，但在 NHEJ 修復(fù)過程中則不然。KU70/KU80 異源二聚體結(jié)合 DNA 末端，然后在 NHEJ 途徑中招募和激活其他因子。相比之下，APEX1 蛋白啟動 BER 過程，而 DDB2 蛋白參與 NER 過程，這是暴露于紫外線（UV）輻射后激活的主要 DNA 修復(fù)機制。闡明睡眠是否以及如何調(diào)節(jié)單個神經(jīng)元中的 DDR 通路，可以提供有關(guān)其有益細胞功能的信息，并解釋恢復(fù)性睡眠持續(xù)時間變化的原因。

這項研究通過使用透明斑馬魚模型來探究細胞中驅(qū)動睡眠的因素。，并了解睡眠在恢復(fù)活脊椎動物單個神經(jīng)元核穩(wěn)態(tài)中的作用。斑馬魚是一種成熟的睡眠模型，其大腦的結(jié)構(gòu)和功能，以及DNA 損傷和修復(fù)系統(tǒng)在哺乳動物中是保守的。全腦活動記錄揭示了斑馬魚幼蟲背側(cè)大腦皮層 (DP) 的兩個主要睡眠特征。這些狀態(tài)，稱為慢爆睡眠 (SBS) 和傳播波睡眠 (PWS)，分別與哺乳動物慢波睡眠 (SWS) 和快速眼動/矛盾睡眠 (REM/PS) 非常相似。

在調(diào)控睡眠、神經(jīng)活動以及DNA損傷與修復(fù)的過程中，，行為監(jiān)測和 DNA 修復(fù)蛋白動態(tài)聚類的實時成像相結(jié)合，該研究揭示了神經(jīng)元中的 DNA 損傷是睡眠的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動因素。此外，Parp1 可以誘導睡眠，從而促進染色體動力學以及 DDR 蛋白的募集和活動。