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你的DNA時刻都在斷裂,只有睡夠了才能修復它

    如果將人比作一台依靠電池運行的機器,清醒時的學習、思考和運動等行為和安穩、平靜的睡眠則分別對應著放電和充電的過程。類似於在手機上看視頻、玩遊戲會更快消耗電量,一些活動也會加速人體的「放電」過程,讓人更需要休息。

比如當你生病時,你的免疫系統需要與一些病毒、細菌或癌細胞激烈作戰;或者你為了考試和工作,腦袋需要不停歇地運轉一整天;又或者是你外出活動了一整天……這些時候,你睡覺的時間往往會更長,睡眠也會更深。

當機器沒有電時,它就不能繼續工作;當身體放完「電」時,你也會感覺到該休息了。與機器不同的是,人體更複雜。雖然你可以在打「雞血」後繼續熬夜、連軸運轉,但這一切都是有代價的。當你不願意按時回到床上時,你的身體就正式進入深度「磨損」狀態了。

每個熬過夜的人可能都切身體會過這種「磨損」的代價:身心俱疲,甚至某些部位隱隱作痛,對疼痛的感知力降低,注意力無法集中……很多研究已經證實,在睡眠不足時,我們的大腦首當其衝,它會無法形成新記憶和自我清潔,導致有毒物質在大腦中富集並引發炎症,進一步導致記憶減弱、腦細胞受損。

此外,缺覺還會影響我們的生理時鐘、加重心血管系統的負擔,腸道中也會開始堆積有害物質,從而引起炎症。這些效應都在增加人類過早死亡和壽命縮短的風險。在一些極端情況下,缺少睡眠還會直接導致死亡。看到這裡,你是否有個疑問:人為什麼需要那麼長的睡眠時間(成年人一天應當睡至少7個小時)?或者從根本上說,人究竟為什麼需要睡眠?

需要睡眠的動物

近年來,科學家發現了一個現象:不只是人,所有被研究過的、有神經系統的動物都需要睡覺,小到線蟲、昆蟲,大到包括人在內的各種哺乳動物。但各種動物需要的睡眠時間差異很大——大象每天只要睡2個小時,夜猴(night monkey,通常在夜間活動)卻需要多達17個小時。除了睡眠時長不同,各種動物的睡覺方式也不同。一些動物睜著眼也可以睡覺,例如鳥類和海豚演化出了兩個半腦交替休息的方式,可以邊睡覺邊活動。可惜的是,人沒法做到這些。

如果這些有神經系統的動物都需要睡覺,我們可以推測,也許是神經系統中發生的某些改變,促使動物需要睡眠。近期,以色列兩所大學的科學家找到了答案,並將研究成果發表在《分子細胞》(Molecular Cell)上,這一發現或許揭示了生物需要睡眠的一個普遍原因——為了修復神經活動時裂開的DNA。

相比於安靜的狀態,在日常的活動中,或者在面對更需要腦力的學習、記憶任務或者突發情況時,大腦中的神經元需要更快地表達某些基因。為了適應各種變化,細胞不可能在冗長的DNA鏈上逐個找到需要表達的基因,更高效的辦法是DNA雙鏈直接斷開,讓大量要用到的基因先表達,並在斷裂位點做好標記,過後再進行修復。除了神經元以外,人體其他細胞中的DNA也會由於各種情況出現損傷,也需要進行修復。

雖然DNA雙鏈斷裂是神經活動中一個關鍵且正常的過程,但如果不及時修復,這會帶來很嚴重的後果。這種損傷也稱為DNA雙鏈斷裂,是最具有細胞毒性的一種DNA損傷,通常發生在癌症、神經退化和衰老等過程中。不過,DNA雙鏈斷裂的修復過程十分複雜,需要激活多條信號通路、募集多種酶和蛋白複合體,因而需要較長的時間。

在白天,機體的活動增加,DNA的損傷也會累積,避免這些損傷的危害的唯一辦法就是修復它們。但細胞在白天是沒有時間的,需要將更多的資源用在其他生命活動上,最後修復工作就拖到了晚上。研究人員發現,為了能讓細胞按時進行修復,隨著神經元DNA損傷累積,睡眠壓力(也稱為恆定睡眠驅力,homeostatic sleep drive)會逐漸增加,強迫人去睡覺。在睡眠中,這種壓力水平會逐漸下降、回到一個低谷,讓我們醒來時感覺全身放鬆,充滿活力。

斑馬魚也要睡覺

睡眠壓力的來源有很多。如上文所述,當免疫系統、神經元和體細胞工作一段時間後,人體內有毒的代謝物和神經系統損傷都會增加,導致睡眠壓力增加。在新的研究中,科學家研究了斑馬魚的睡眠活動,證實了斑馬魚在清醒時,DNA雙鏈斷裂數量會逐漸增加。

他們發現,在經過一天的活動後,斑馬魚單個神經元中DNA雙鏈斷裂位點的數量會翻倍。隨後,他們給斑馬魚餵食了一種神經驚厥劑——戊四唑(可以導致神經元異常興奮)。僅3個小時之後,斑馬魚DNA的斷裂位點數量就增加到了活動一天後的水平——也就是說,神經元越容易興奮,就越容易感覺到累。

研究人員發現與剛睡醒時(ZT4)相比,斑馬魚活動一天後(ZT14)的γH2AX位點數明顯增多,也就是說DNA雙鏈斷裂數量增多。圖片來自原論文。

正常情況下,在休息10小時後,斷裂位點數才會降到較低的水平。暴露在戊四唑中後,這些斑馬魚需要的睡眠時間會增加。除了清醒時間更長和神經活動更興奮外,當斑馬魚暴露在紫外線(可以損傷DNA)下時,它們也會需要更多的睡眠。

相比之下,如果只休息2個小時或者4個小時,斑馬魚DNA上的斷裂位點數只會略微降低。在這種睡眠被剝奪的情況下,不僅DNA的損傷會增加,DNA損傷也會無法修復,也就是說DNA結構的潰敗會越來越嚴重。

在沉睡中修復

生物想要繼續生存下去,DNA的修復過程是必不可少的。但面對千瘡百孔的DNA,修復過程從哪裡開始呢?這時,DNA在斷裂位點留下的標記就發揮了作用。在染色體中,DNA雙鏈纏繞在組蛋白上,在每一次雙鏈斷裂時,一種組蛋白——H2AFX——都會被磷酸化,變成γH2AX。通過觀察γH2AX,科學家就能知道斑馬魚DNA的斷裂情況,也可以依此來判斷修復情況。

他們進一步探究了DNA修復過程的細節,發現在夜晚,當斑馬魚睡覺時,參與DNA雙鏈斷裂修復的兩種蛋白(Rad52和Ku80)才會明顯增加,開始緊鑼密鼓地修復DNA。除此之外,為了更好地修復DNA,染色體的活動也會增加。如果染色體活動被抑制,DNA損傷得不到及時修復,斑馬魚的睡眠時間就會延長,而且整個睡眠周期都會發生改變。

清醒和睡眠的循環:白天神經元的DNA損傷增加,留下標記,導致睡眠壓力增加。晚上,染色體活動增加,Parp蛋白募集修復蛋白,促進DNA修復。圖片來源:原論文

這些生理過程都與一種DNA損傷檢測因子——PARP-1——有關,這個分子在多種生物體內高度保守。它是DNA結構穩定的維護者,能促進受損的DNA單鏈或雙鏈的修復,保障細胞的生存。根據研究人員的觀察,在白天,表達該分子的parp1基因會大量轉錄,增加睡眠壓力。由PARP-1控制的信號通路會在白天不停地給大腦發信息,提醒它休息。到晚上,你開始休息後,parp1轉錄產生的mRNA會大量表達PARP-1,這些分子會通過募集修復蛋白的方式,促進DNA修復。當抑制parp1表達時,生物需要的休息時間會更少,但與此同時,DNA修復過程和染色體活動都會減少。

更多清醒時間的代價

咖啡因為什麼能讓我們更加清醒?根據一項發表於1990年的研究,咖啡因能在抑制DNA修復的同時,增強神經活動——也就是說,我們更有精力了,但後期或許需要更多的睡眠來補償。

研究人員表示,實驗中用到的幼年斑馬魚的神經系統雖然很簡單,但和更高等的脊椎動物(包括哺乳動物)的神經系統存在一定的相似性,能用於解釋動物需要睡眠的普遍原因。除此之外,PARP-1還能影響人的生理時鐘,在長期記憶的形成中也具有關鍵作用。而在睡覺時,染色體的活動不僅能促進DNA的修復,也和神經元的可塑性、記憶的形成密切相關。也就是說,睡得好能幫助我們記住新學的東西,身體也更健康。

可以說,我們每一次思考、行動和激動等,可能都在讓我們的DNA冒險,讓自己面臨衰老和疾病的威脅。但隨之而來的一場安逸、平靜的睡眠,能讓裂開的DNA重新拼接,將我們拯救回來。這些過程周而復始,而我們只感覺到自己在慢慢長大、變老。

如果你已經學廢了,那就好好睡一下吧。

責任編輯: 李華  來源:環球科學 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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