睡眠驅動因素的特征以及睡眠減輕細胞穩態壓力的機制尚不清楚。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。近期，以色列巴伊蘭大學Lior Appelbaum團隊在Molecular Cell在線發表題為“Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons”的研究論文，該研究表明 6 小時的綜合睡眠足以減少斑馬魚背側皮層中的 DNA 損傷。神經元活動和誘變劑誘導 DNA 損傷引發睡眠和 DNA 修復。DNA 損傷反應 (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和修復。這些結果表明 DNA 損傷是睡眠的穩態驅動因素，而 Parp1 通路可以感知這種細胞壓力并促進睡眠和修復活動。

睡眠伴隨著對外部刺激的反應減弱，是一種脆弱的行為狀態。然而，睡眠在整個系統發育過程中都是進化保守的，所有研究過的具有神經網絡的動物，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損傷，并與神經發育和神經退行性疾病和衰老有關。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，以及恢復性神經過程是什么？

睡眠的時間、持續時間和質量由生物鐘和體內平衡睡眠壓力之間的相互作用調節，后者在長時間清醒時增加。體內平衡因素被認為會隨著睡眠前覺醒的持續時間和強度的增加而積累。然而，驅動睡眠需求的細胞穩態機制以及穩態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、供應和大分子的需求增加，突觸數量和強度的增加以及升高的神經損傷和細胞應激。

增強的覺醒和神經元活動會在小鼠和果蠅中誘導 DNA 雙鏈斷裂 (DSB)。神經元中 DNA 損傷的修復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元中積累。相比之下，睡眠會增加染色體動態，從而降低神經元 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 修復基因的表達。這些研究表明，睡眠促進核維持，即睡眠調節 DNA 損傷和修復之間的平衡。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，或者修復系統的活動是否受到更多刺激。

闡明與睡眠、DNA 損傷和修復相關的潛在機制具有挑戰性。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 (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 (BER) 和核苷酸切除修復 (NER)。每個都涉及不同的修復蛋白組合，這些蛋白依次被募集到受損部位。

文章模式圖（圖源自Molecular Cell）

DDR 中的第一個事件是所有途徑共有的，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并區分不同途徑。例如，RAD52 和 RAD51 在 DSB 切除過程中是活躍的，這是 HR 中的關鍵步驟，但在 NHEJ 修復過程中則不然。KU70/KU80 異源二聚體結合 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 修復機制。闡明睡眠是否以及如何調節單個神經元中的 DDR 通路，可以提供有關其有益細胞功能的信息，并解釋恢復性睡眠持續時間變化的原因。

該研究利用透明斑馬魚來識別細胞睡眠驅動因素，并了解睡眠在恢復活脊椎動物單個神經元核穩態中的作用。斑馬魚是一種成熟的睡眠模型，其大腦的結構和功能，以及DNA 損傷和修復系統在哺乳動物中是保守的。最近，全腦活動記錄揭示了斑馬魚幼蟲背側大腦皮層 (DP) 的兩個主要睡眠特征。這些狀態，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。

在睡眠、神經元活動和 DNA 損傷和修復的操縱下，行為監測和 DNA 修復蛋白動態聚類的實時成像相結合，該研究揭示了神經元中的 DNA 損傷是睡眠的穩態驅動因素。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。

參考消息：

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00933-3