Протеинът PARP1 изпраща сигнали до мозъка, че имаме нужда от сън

Защо хората проспиват 1/3 от живота си? Защо спят животните? През годините на еволюция сънят се е запазил като основно и универсално средство за оцеляване и възстановяване за всички организми с нервна система, включително безгръбначните като мухи, червеи и дори медузи. Защо заспиват животните, макар да са застрашени постоянно от хищници, и как мозъкът и отделните клетки извличат полза от съня остава загадка за учените.

В ново изследване в списание „Molecular Cell“ израелски учени от университета „Bar-Ilan“ разкриват непознат механизъм при риби Данио, който се наблюдава частично и при лабораторни мишки. То е ръководено от проф. Лиор Апелбаум от центъра за мозъчни изследвания и постдокторанта д-р Дейвид Зада. Когато сме будни, хомеостатичната потребност от сън (умората) започва да се натрупва. Колкото по-дълго будуваме, толкова по-голяма става тя, и обратно – по време на сън спада. Най-слаба е, когато сме осигурили на тялото си пълноценен и продължителен сън.

ДНК увреждания в будно състояние

Защо хомеостатичното налягане, което ни кара да имаме нужда от сън расте? Какво точно се случва през нощта и как то намалява до степен да сме готови да започнем новия ден? В будно състояние в невроните се натрупват ДНК увреждания, които са причинени от най-различни фактори като УВ светлина, невронна активност, радиация, оксидативен стрес и грешки в ензимните процеси. По време на сън системите, които отговарят за възстановяването на клетките, коригират тези ДНК увреждания. Тези увреждания обаче не изчезват, а продължават да се увеличават, докато сме будни. Когато достигнат твърде високи стойности, мозъчната функция е поставена под заплаха, което налага тяхното понижаване. Изследването на учените разкрива, че сънят активира механизмите за възстановяване на увредените ДНК участъци толкова ефективно, че човек може да се събуди отпочинал и напълно готов да изпълнява задачите си.

Израелският екип провежда серия от експерименти, с които да установи дали именно натрупването на ДНК грешки е катализатор на нашата потребност от сън. Прилагайки ирадиация и някои методи от фармакологията и оптогенетиката, те предизвикват ДНК увреждания в риби Данио, за да проследят как те ще се отразят на съня им. Изборът на рибите зебра не е никак случаен. Те са изцяло прозрачни, спят нощем и мозъкът им до голяма степен наподобява човешкия.

Колкото повече ДНК грешки настъпват, толкова по-силна е потребността им от сън. Заключението на експертите е, че в определен момент техният брой достига пределна стойност, при която рибите изпитват непреодолима нужда от почивка. След като заспят, започва процесът по коригиране на ДНК грешките.

Изчисляване на нужното количество сън

Нищо не може да се сравни с пълноценния нощен сън. На втория етап от изследването учените изчисляват какво е минималното количество сън, от което рибите се нуждаят, за да се възстановят напълно и да бъдат коригирани всички ДНК грешки. Поради факта, че и те, също като хората, са чувствителни към светлина, изследователите съкращават постепенно тъмния период, в който спят. След като проследяват как се променя зависимостта между ДНК уврежданията и съня, експертите стигат до извода, че 6 часа на денонощие са достатъчни за рибите зебра, за да се отстранят натрупаните ДНК грешки. Когато имат по-малко време за почивка, част от уврежданията остават, което кара рибите да спят и през деня.

Протеинът PARP1 изпраща сигнали кога е време за сън

Какво обаче се случва в мозъка, за да усетим, че имаме нужда от сън? Протеинът PARP1 е част от системата за възстановяване на увредената ДНК* и е първият, който реагира. Той маркира местата в клетките, където има грешки, и активира всички механизми, чрез които те могат да бъдат отстранени. Колкото повече грешки се натрупват в будно състояние, толкова по-голямо количество от протеина се произвежда на съответните увредени точки. По време на сън PARP1 намалява, тъй като постепенно се изчистват и грешките. По време на експеримента учените използват фармакологични и генетични инструменти, с които да свръхекспресират или потиснат производството на протеина PARP1, за да докажат, че увеличаването му засилва нуждата от сън и ускорява възстановяването на клетките. При потискането му се наблюдава блокиране на сигнала, че са налични ДНК грешки, които трябва да бъдат коригирани. Тогава рибите Данио не усещат, че са уморени, не заспиват и не настъпва процес по възстановяване на увредената ДНК.

За да потвърдят резултатите, учените от Израел провеждат експеримент и върху лабораторни мишки. Чрез ЕЕГ те проверяват дали ролята на протеина PARP1 за регулиране на съня е като при рибите и установяват, че при спиране на неговото производство, намалява продължителността и качеството на NREM фазата.

Нови отговори и бъдещи проучвания

В свое по-старо проучване проф. Апелбаум и екипът му използват 3D образна диагностика, която отчита промените във времето и доказва, че сънят ускорява хромозомната динамика. Сега те добавят още едно парче от пъзела, разкривайки, че всъщност протеинът PARP1 подтиква организма към сън и подсилва функциите на хромозомите. Той допринася за възстановяването на увредената ДНК в будно състояние, макар ефектът да не е толкова добър, колкото по време на сън. Това е и причината, поради която PARP1 изпраща сигнали до мозъка, че тялото се нуждае от сън.

Благодарение на израелските учени вече е ясно какъв е механизмът, който кара живите организми да спят и в каква последователност настъпват процесите на клетъчно ниво. Според експертите неговото разгадаване може да разкрие някои неизследвани аспекти на връзката между нарушенията на съня, стареенето и невродегенеративните заболявания като болест на Паркинсон или Алцхаймер например. Проф. Апелбаум споделя, че експериментите, свързани със съня, рано или късно ще започнат да се провеждат върху други животни, а след това и върху хора.

* David Zada, Yaniv Sela, Noa Matosevich, Adir Monsonego, Tali Lerer-Goldshtein, Yuval Nir, Lior Appelbaum. Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons. Molecular Cell. 2021.