提升染色體動力學 睡眠有助於DNA修復

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睡眠不足 易導致 DNA 受損累積

人腦從不間斷地運作,在睡眠期間將白天大量接收的資訊以及消耗的精力等資訊整理形成腦中長短記憶,也同步進行體內代謝循環把一天累積的毒素分解排出,也是為何人類每天花三分之一的時間睡覺。汲汲營營的工作者免不了長期通宵,隔天精神不濟,造成做事效率不佳、健忘、皮膚變蒼老、脾氣暴躁等適得其反的狀況惡性循環著,此時睡眠成了舉足輕重的腦部活動。

以色列Bar-llan大學生命科學暨腦科學研究中心 Lior Appelbaum 教授表示,不睡覺可能會導致 DNA 損傷累積。雙股破壞修復(Double-strand breaks, DSBs)屬於最嚴重的DNA損傷類型,當DNA受到化學物質的破壞時,雙股末端裸露在外,若未及時修復會啟動DNA damage response,使細胞停止生長及分裂,並進行細胞凋亡(apoptosis)。

睡眠有助於提升染色體動力學 修復 DNA

近日, Lior Appelbaum 教授與其博士生 David Zada 等人發現,睡眠能促使神經元的 DNA 修復(維持核蛋白修復),他們透由 3D 縮時攝像觀察活體斑馬魚在非睡眠期間與睡眠期間對比腦部變化,發現睡眠期腦內單染色體活化單神經元的水平提高,表示染色體動態*是增加的。該研究刊登於《Nature Communcations》。

*染色體動態又可分染色體運動和結構基因組的安排,主要由在分裂細胞與核纖層和包絡相互作用的蛋白質來調控。

為了可視化和量化活斑馬魚的染色體動態,他們複製斑馬魚的端粒重複結合因子a(zebrafish telomeric repeat binding factor a, terfa)以及端粒標記 EGFP-Terfa 來標記斑馬魚 DNA 中的染色體,並且跟踪它們在神經元內部的運動。該成像技術使得他們能在單一個魚腦神經元中看到該染色體的分辨率。接著,他們利用 3D 延時攝影和帶有明顯染色體的活體斑馬魚,發現當魚清醒時,細胞核中的染色體運動減弱,DNA 損傷累積。如果斑馬魚持續保持清醒,該類型傷害可能會達到不安全的程度。

一同合著的 Yuval Goldshtein 教授表示,「我們找到睡眠、減數分裂與神經活動之間的關聯性,得知DNA損傷和修復於生理狀態下的關係。」

該研究團隊下一步的研究規劃是尋找在睡眠期間,大腦區域內特別活躍的神經元以及其相關機制,也會探討其他脊椎動物和無脊椎動物多細胞動物、從刺胞動物到哺乳動物,是否也能將染色體動力學確定為進化上保守的細胞睡眠生物標記。

總而言之,他們假設睡眠行為已經進化,以便調節功能相關的單個神經元的休息時間,進而使細胞 DNA 修復工作更完善。

延伸閱讀:DNA修復研究獲得2015諾貝爾化學獎

參考資料:
D. Zada, I. Bronshtein, T. Lerer-Goldshtein, Y. Garini, L. Appelbaum. Sleep increases chromosome dynamics to enable reduction of accumulating DNA damage in single neurons. Nature Communications, 2019; 10 (1) .
https://www.haaretz.com/world-news/why-do-we-need-sleep-israeli-scientists-solve-the-mystery-1.6995426

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