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你的DNA时刻都在断裂,只有睡够了才能修复它

时间:2022-04-25 点击:141

核心提示:DNA断裂是一个正常的生理过程,但它也极具危害。如今,科学家终于找到了人类避免这种危害的方法——你我都熟悉的睡眠。也就是说,如果不好好睡觉,你也许就是在变相自杀。如果...

DNA断裂是一个正常的生理过程,但它也极具危害。如今,科学家终于找到了人类避免这种危害的方法——你我都熟悉的睡眠。也就是说,如果不好好睡觉,你也许就是在变相自杀。

如果将人比作一台依靠电池运行的机器,清醒时的学习、思考和运动等行为和安稳、平静的睡眠则分别对应着放电和充电的过程。类似于在手机上看视频、玩游戏会更快消耗电量,一些活动也会加速人体的“放电”过程,让人更需要休息。

比如当你生病时,你的免疫系统需要与一些病毒、细菌或癌细胞激烈作战;或者你为了考试和工作,脑袋需要不停歇地运转一整天;又或者是你外出活动了一整天……这些时候,你睡觉的时间往往会更长,睡眠也会更深。

当机器没有电时,它就不能继续工作;当身体放完“电”时,你也会感觉到该休息了。与机器不同的是,人体更复杂。虽然你可以在打“鸡血”后继续熬夜、连轴运转,但这一切都是有代价的。当你不愿意按时回到床上时,你的身体就正式进入深度“磨损”状态了。

每个熬过夜的人可能都切身体会过这种“磨损”的代价:身心俱疲,甚至某些部位隐隐作痛,对疼痛的感知力降低,注意力无法集中……很多研究已经证实,在睡眠不足时,我们的大脑首当其冲,它会无法形成新记忆和自我清洁,导致有毒物质在大脑中富集并引发炎症,进一步导致记忆减弱、脑细胞受损。

此外,缺觉还会影响我们的生物钟、加重心血管系统的负担,肠道中也会开始堆积有害物质,从而引起炎症。这些效应都在增加人类过早死亡和寿命缩短的风险。在一些极端情况下,缺少睡眠还会直接导致死亡。看到这里,你是否有个疑问:人为什么需要那么长的睡眠时间(成年人一天应当睡至少7个小时)?或者从根本上说,人究竟为什么需要睡眠?

Part.1

需要睡眠的动物

近年来,科学家发现了一个现象:不只是人,所有被研究过的、有神经系统的动物都需要睡觉,小到线虫、昆虫,大到包括人在内的各种哺乳动物。但各种动物需要的睡眠时间差异很大——大象每天只要睡2个小时,夜猴(night monkey,通常在夜间活动)却需要多达17个小时。除了睡眠时长不同,各种动物的睡觉方式也不同。一些动物睁着眼也可以睡觉,例如鸟类和海豚演化出了两个半脑交替休息的方式,可以边睡觉边活动。可惜的是,人没法做到这些。

如果这些有神经系统的动物都需要睡觉,我们可以推测,也许是神经系统中发生的某些改变,促使动物需要睡眠。近期,以色列两所大学的科学家找到了答案,并将研究成果发表在《分子细胞》(Molecular Cell)上,这一发现或许揭示了生物需要睡眠的一个普遍原因——为了修复神经活动时裂开的DNA。

相比于安静的状态,在日常的活动中,或者在面对更需要脑力的学习、记忆任务或者突发情况时,大脑中的神经元需要更快地表达某些基因。为了适应各种变化,细胞不可能在冗长的DNA链上逐个找到需要表达的基因,更高效的办法是DNA双链直接断开,让大量要用到的基因先表达,并在断裂位点做好标记,过后再进行修复。除了神经元以外,人体其他细胞中的DNA也会由于各种情况出现损伤,也需要进行修复。

虽然DNA双链断裂是神经活动中一个关键且正常的过程,但如果不及时修复,这会带来很严重的后果。这种损伤也称为DNA双链断裂,是最具有细胞毒性的一种DNA损伤,通常发生在癌症、神经退化和衰老等过程中。不过,DNA双链断裂的修复过程十分复杂,需要激活多条信号通路、募集多种酶和蛋白复合体,因而需要较长的时间。

在白天,机体的活动增加,DNA的损伤也会累积,避免这些损伤的危害的唯一办法就是修复它们。但细胞在白天是没有时间的,需要将更多的资源用在其他生命活动上,最后修复工作就拖到了晚上。研究人员发现,为了能让细胞按时进行修复,随着神经元DNA损伤累积,睡眠压力(也称为恒定睡眠驱力,homeostatic sleep drive)会逐渐增加,强迫人去睡觉。在睡眠中,这种压力水平会逐渐下降、回到一个低谷,让我们醒来时感觉全身放松,充满活力。

Part.2

斑马鱼也要睡觉

睡眠压力的来源有很多。如上文所述,当免疫系统、神经元和体细胞工作一段时间后,人体内有毒的代谢物和神经系统损伤都会增加,导致睡眠压力增加。在新的研究中,科学家研究了斑马鱼的睡眠活动,证实了斑马鱼在清醒时,DNA双链断裂数量会逐渐增加。

他们发现,在经过一天的活动后,斑马鱼单个神经元中DNA双链断裂位点的数量会翻倍。随后,他们给斑马鱼喂食了一种神经惊厥剂——戊四唑(可以导致神经元异常兴奋)。仅3个小时之后,斑马鱼DNA的断裂位点数量就增加到了活动一天后的水平——也就是说,神经元越容易兴奋,就越容易感觉到累。

研究人员发现与刚睡醒时(ZT4)相比,斑马鱼活动一天后(ZT14)的γH2AX位点数明显增多,也就是说DNA双链断裂数量增多。图片来自原论文。

正常情况下,在休息10小时后,断裂位点数才会降到较低的水平。暴露在戊四唑中后,这些斑马鱼需要的睡眠时间会增加。除了清醒时间更长和神经活动更兴奋外,当斑马鱼暴露在紫外线(可以损伤DNA)下时,它们也会需要更多的睡眠。

相比之下,如果只休息2个小时或者4个小时,斑马鱼DNA上的断裂位点数只会略微降低。在这种睡眠被剥夺的情况下,不仅DNA的损伤会增加,DNA损伤也会无法修复,也就是说DNA结构的溃败会越来越严重。

Part.3

在沉睡中修复

生物想要继续生存下去,DNA的修复过程是必不可少的。但面对千疮百孔的DNA,修复过程从哪里开始呢?这时,DNA在断裂位点留下的标记就发挥了作用。在染色体中,DNA双链缠绕在组蛋白上,在每一次双链断裂时,一种组蛋白——H2AFX——都会被磷酸化,变成γH2AX。通过观察γH2AX,科学家就能知道斑马鱼DNA的断裂情况,也可以依此来判断修复情况。

他们进一步探究了DNA修复过程的细节,发现在夜晚,当斑马鱼睡觉时,参与DNA双链断裂修复的两种蛋白(Rad52和Ku80)才会明显增加,开始紧锣密鼓地修复DNA。除此之外,为了更好地修复DNA,染色体的活动也会增加。如果染色体活动被抑制,DNA损伤得不到及时修复,斑马鱼的睡眠时间就会延长,而且整个睡眠周期都会发生改变。

清醒和睡眠的循环:白天神经元的DNA损伤增加,留下标记,导致睡眠压力增加。晚上,染色体活动增加,Parp蛋白募集修复蛋白,促进DNA修复。图片来源:原论文

这些生理过程都与一种DNA损伤检测因子——PARP-1——有关,这个分子在多种生物体内高度保守。它是DNA结构稳定的维护者,能促进受损的DNA单链或双链的修复,保障细胞的生存。根据研究人员的观察,在白天,表达该分子的parp1基因会大量转录,增加睡眠压力。由PARP-1控制的信号通路会在白天不停地给大脑发信息,提醒它休息。到晚上,你开始休息后,parp1转录产生的mRNA会大量表达PARP-1,这些分子会通过募集修复蛋白的方式,促进DNA修复。当抑制parp1表达时,生物需要的休息时间会更少,但与此同时,DNA修复过程和染色体活动都会减少。

Part.4

更多清醒时间的代价

咖啡因为什么能让我们更加清醒?根据一项发表于1990年的研究,咖啡因能在抑制DNA修复的同时,增强神经活动——也就是说,我们更有精力了,但后期或许需要更多的睡眠来补偿。

研究人员表示,实验中用到的幼年斑马鱼的神经系统虽然很简单,但和更高等的脊椎动物(包括哺乳动物)的神经系统存在一定的相似性,能用于解释动物需要睡眠的普遍原因。除此之外,PARP-1还能影响人的生物钟,在长期记忆的形成中也具有关键作用。而在睡觉时,染色体的活动不仅能促进DNA的修复,也和神经元的可塑性、记忆的形成密切相关。也就是说,睡得好能帮助我们记住新学的东西,身体也更健康。

可以说,我们每一次思考、行动和激动等,可能都在让我们的DNA冒险,让自己面临衰老和疾病的威胁。但随之而来的一场安逸、平静的睡眠,能让裂开的DNA重新拼接,将我们拯救回来。这些过程周而复始,而我们只感觉到自己在慢慢长大、变老。

如果你已经学废了,那今天就好好睡一下吧。

参考链接:

[1]https://www.cdc.gov/niosh/work-hour-training-for-nurses/longhours/mod2/11.html

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/H2AFX

[3]https://www.nature.com/articles/nrc2523

[4]https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2020.00024/full

[5]https://journals.biologists.com/jeb/article/221/11/jeb159533/34132/The-origins-and-evolution-of-sleep

[6]https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(16)31013-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982216310132%3Fshowall%3Dtrue

[7]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1097276521009333?via%3Dihub

来源:环球科学

封面图来源:Pixabay

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