Треть жизни мы проводим во сне, но его роль и механизмы по-прежнему недостаточно изучены. Мы много знаем о необходимости сна для перехода информации в долговременную память и его восстановительной природе, пусть даже иногда пренебрегаем здоровым сном и используем «сэкономленное» время для решения наших задач. Но что запускает сон? Благодаря чему мы засыпаем? И главный вопрос: сколько же часов нужно спать?
На этот вопрос пытались ответить многие российские и зарубежные ученые: проводились эксперименты по изучению «центров сна» в мозге, благодаря которым стало известно, что одними из ключевых регионов являются ядра гипоталамуса. Но на более глубоких — клеточном и молекулярном — уровнях явные механизмы еще не были показаны до настоящего момента.
Когда мы долго бодрствуем, накапливается нарастающая усталость, с которой мы боремся до тех пор, пока она не достигнет критической точки. Например, мы можем пить кофе, активный компонент которого (кофеин) связывается с рецепторами в мозге, чувствительными к аденозину — компоненту, входящему в состав нуклеиновых кислот и некоторых ферментов в организме. Аденозин накапливается в период бодрствования, и поэтому благодаря кофеину мы временно перестаем чувствовать утомление. На клеточном уровне эта усталость отражается в накоплении поломок в ДНК нейронов. Их причинами могут быть ультрафиолетовое излучение, окислительный стресс, ферментативные ошибки. Внутри клеток постоянно работают восстановительные системы — и когда мы спим, и когда бодрствуем; но когда мы погружаемся в сон, скорость восстановления превышает количество «поломок».
Ученые из университета Тель-Авива и университета имени Бар-Илана провели эксперименты на рыбках данио с помощью оптогенетики, облучения и фармакологических препаратов. Рыбки данио нуждаются во сне для восстановления. Оказалось, что направленные повреждения в ДНК нейронов действительно увеличивали потребность во сне. Измеряя уровень повреждений и варьируя количество часов сна, которое рыбки данио могли провести во сне, ученые также установили, что шесть часов являются тем минимумом, которого достаточно для восстановления. Но что же сигнализирует о необходимости восстановления и запускает сон?
В этом исследовании, опубликованном в журнале Molecular Cell, удалось найти ответ и на этот вопрос. Ученые обратили внимание на белки, которые реагировали одними из первых в цепочке восстановления поломок ДНК. Одним из них является белок PARP1, который «отмечает» участки повреждения ДНК в клетках. Стимулируя экспрессию или блокировку этого белка, ученые установили, что увеличение экспрессии PARP1 способствует сну и усиливает зависимое от сна восстановление. При этом блокировка PARP1 нарушает сигнал о необходимости восстановления повреждений ДНК: рыбки данио переставали получать сигнал о накопившейся усталости и засыпать. Аналогичные результаты команда получила и в эксперименте на мышах. Белки PARP присутствуют и у человека, но пока еще неизвестно, играет ли PARP1 такую же роль.
