今天是周末，所以你昨晚熬夜了吧？毫無疑問，睡眠是人類最基本的需求。先不說連續幾天不睡覺這種可能致死的極端情況，即使是長期睡眠不足，也已經與阿爾茨海默病、肥胖、癌症、學習能力下降等等一系列問題緊密聯繫在一起。我們需要睡眠，似乎不難理解。
但當我們從演化的角度思考，卻發現這是一個仍有待破解的難題。從線蟲、果蠅到我們人類，睡眠對於所有擁有神經系統的動物來說都是不可或缺的。但不要忘了，這些動物時刻都是生存競爭的一環。在睡眠時，喪失警惕的動物更容易被捕食，那麼它們為什麼即使是冒着死亡的風險也要睡覺？在一項發表於Molecular Cell的新研究中，來自以色列的研究團隊在斑馬魚中找到了睡眠的新作用，這也使得我們距離揭開睡眠之謎又近了一步。
我們的一個直觀感受是，保持清醒狀態的時間越長，就越容易睏倦、想要睡覺。科學家用“穩態睡眠壓力”來表示動物對睡眠的需求。這種睡眠壓力在清醒狀態下增加，入睡之後減少。那麼，是什麼導致睡眠壓力增加至臨界點，讓我們不得不去睡覺；夜間入睡時，這種壓力又是怎樣減少的？
此前的研究為我們提供了線索——同樣在清醒與睡眠狀態之間交替的，是機體內的DNA損傷與修復。
清醒狀態下，受紫外線照射、神經元活動、輻射、氧化應激等因素的影響，DNA損傷在包括神經元在內的細胞內積累，這其中就包含了DNA雙鏈斷裂。如果這樣的損傷積累下去，會對機體健康造成嚴重影響，誘發認知衰退、癌症等疾病。
好在，機體內還有DNA修復機制。無論是睡眠還是清醒狀態下，每個細胞內的修復系統都在持續修好斷裂的DNA。但在清醒狀態下，神經元中的DNA損傷依舊持續積累，這會導致損傷積累到危險的水平。這一事實也提醒人們：起到決定性作用的，或許是睡眠階段的高效修復。
為了尋找睡眠與DNA損傷/修復的確切關係，研究團隊利用經典模式動物斑馬魚進行了一系列實驗。為此，他們通過能導致神經元異常興奮的藥劑，使得斑馬魚保持在清醒狀態。隨後，他們檢測了斑馬魚神經元中DNA雙鏈斷裂的情況。
清醒與睡眠階段的DNA斷裂與修復示意圖
（圖片來源：Dr。 David Zada）
實驗結果顯示，這時神經元中DNA雙鏈斷裂顯著增多。隨着DNA損傷的積累，個體對於睡眠的需求也在增加。而到了某個時刻，DNA損傷積累達到閾值時，在穩態睡眠壓力的誘導下，斑馬魚就進入睡眠狀態。
在明確了DNA損傷的積累是誘發睡眠的驅動力后，研究者進一步找到了斑馬魚為了減少睡眠壓力與DNA損傷所需的最短睡眠時間：6個小時。6個小時的睡眠足夠減輕DNA損傷；而不足6小時時，DNA損傷無法得到修復，這時斑馬魚會在白天繼續睡覺。
那麼，具體又是哪些分子與神經機制參與了這個過程？這項研究隨後進行了深入的探討。
研究人員通過熒光標記了修復蛋白，發現在睡眠狀態下，Rad52和Ku80這兩種修復蛋白在神經元中積累，幫助機體在無意識間修復損傷。
隨後的研究發現，一種名為PARP1的蛋白質在相關神經機制中扮演者關鍵角色。作為DNA損傷修復系統的一部分，PARP1是最早響應的蛋白質之一。它標記了細胞中DNA損傷的位置，並召集所有相關係統來清除損傷。與DNA損傷一樣，PARP1在斷裂位點聚集的情況在清醒時更多見；睡眠時則較為減少。研究團隊在控制斑馬魚過量表達PARP1時，也促進了與睡眠相關的修復；相反，抑制PARP1則關閉了進行DNA修復的信號，這時斑馬魚根本沒有意識到自己困了，也不會去睡覺。在隨後的研究中，這支團隊還對小鼠進行了實驗，發現PARP1起到類似的效果。這也進一步證實了在斑馬魚中的發現。
這項研究的通訊作者，以色列巴伊蘭大學的Lior Appelbaum教授表示：“PARP1到達特定的閾值時，會驅使個體去睡覺，同時告訴大腦：你需要睡覺了。否則，你會積累過量的DNA損傷。”Appelbaum教授指出，了解PARP1如何明確對於睡眠的需求，是研究團隊的下一個目標。
而對於我們來說，保持充足睡眠的又一個重要原因被揭開了。
為了你的DNA完整與機體健康，今晚還繼續熬夜嗎？
參考鏈接：
[1] David Zada et al。， Parp1 promotes sleep， which enhances DNA repair in neurons。 Molecular Cell https：//doi.org/10.1016/j.molcel.2021.10.026 （2021）。
[2] How do we know we‘re tired？。 Retrieved Nov 18， 2021 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/934950