Усі багатоклітинні живі істоти витрачають приблизно третину свого життя на сон з-за того, що в цей час клітини їх мозку проводять масштабні “ремонтні роботи” на лагодження своїй власній ДНК. Це пояснює існування цієї дивної форми поведінки, пишуть вчені в журналі Nature Communications.
“Цей процес можна порівняти з ямковим ремонтом на автострадах. Вибоїни та тріщини постійно з’являються на дорожньому полотні під час руху машин, особливо в годину пік, проте лагодити їх раціональніше всього вночі, коли ремонтним роботам ніхто не заважає”, — розповідає Ліор Аппельбаум (Lior Appelbaum) з університету Бар-Ілана в Рамат-Гані (Ізраїль).
Як сьогодні вважають вчені, мозок і гормональна система людини та всіх інших тварин постійно виробляє два типи сигналів – один з них змушує організм спати, а іншого – не дає йому заснути. Коливання в силі цих сигналів, породжувані добовими ритмами, змушують нас засинати вночі і прокидатися вранці, і порушення в їх роботі можуть призводити до розвитку безсоння або нарколепсії.
В останні роки біологи знаходять все більше слідів того, що ці сигнали впливають не тільки на бажання поспати, але і на роботу багатьох клітинних систем. Зокрема, порушення сну виявилися пов’язані з прискореним розвитком хвороби Альцгеймера, швидким старінням всіх клітин тіла і багатьма іншими серйозними проблемами зі здоров’ям.
Всі ці відкриття, як відзначають Аппельбаум і його колеги, не дають відповіді на головне питання – що саме відбувається в мозку і в інших частинах організму під час сну. Частина вчених вважає, що у цей час тіло лагодить пошкодження, а нервові клітини запам’ятовують або відкидають накопичену за день інформацію, проте ні ту, ні іншу теорію суворо ніхто не перевіряв.
Ізраїльські молекулярні біологи перевірили ці ідеї і розкрили реальну причину того, чому нашому мозку потрібен сон, звернувши увагу на одну незвичайну особливість нейронів – їх тривала і підвищена активність веде до накопичення розривів та інших серйозних поломок в їх ДНК.
Це змусило вчених припустити, що мозок використовує час сну для прискореної лагодження подібних ушкоджень подвійної спіралі та інших процедур по “зачистці” клітин від пошкоджень. Вони перевірили, чи так це насправді, помінявши геном риб-зебр таким чином, що кінцеві ділянки їх хромосом почали світитися.
Додатково вчені вбудували аналогічні сегменти ДНК в інший набір генів, завдяки чому нейрони почали випускати спалахи світла при їх активації. І ті, і інші модифікації дозволили ізраїльським дослідникам простежити за тим, як відрізняється робота нервових клітин під час сну і неспання.
Як виявилося, хромосоми в нейронах риб-зебр майже не рухалися і залишалися частково в “згорнутому” стані в ті часи, коли їхній власник продовжував спати. Коли риба засинала, “розмах” рухів ниток її ДНК зростав майже в два рази, з-за чого хромосоми починали постійно змінювати свою просторову конфігурацію.
Паралельно відбувалися два інші важливі зміни – рівень електричної активності пов’язаних один з одним груп нейронів помітно знижувався, а число молекул, що беруть участь у ремонті розривів в геномі, навпаки, досягало незвично великих значень.
Відкривши цю незвичайну взаємозв’язок, вчені перевірили, що станеться, якщо перешкодити хромосомами рухатися. Для цього вони вставили в геном риб-зебр додаткові копії гена Lap2B, який відповідає за виробництво особливого білкового “клею”, скріплюючого хромосоми, і простежили, як ця зміна вплине на життя нейронів.
Ці досліди підтвердили підозри вчених – блокування переміщень хромосом різко сповільнила лагодження ДНК і призвела до того, що число ушкоджень у геномі вночі початок не знижуватися, а зростати. Відповідно, сон і пов’язані з ними процеси всередині нейронів виявилися критично важливими для їх виживання і підтримки працездатності.
“Незважаючи на те, що сон заважає нам сприймати небезпеки в навколишньому середовищі, всі живі істоти, починаючи з медуз і закінчуючи людиною, потребують подібному періоді спокою для ефективної лагодження ДНК. Швидше за все, це і є причина того, чому ця форма поведінки виникла в далекій давнині і дожила до наших днів”, — підсумовує Аппельбаум.
