چه زمانی احساس خستگی می کنیم؟

پروتئین PARP1 به عنوان یک آنتن عمل می کند و به مغز سیگنال می دهد که زمان خواب و ترمیم DNA است. اما چه زمانی احساس خستگی می کنیم؟ چرا به خواب نیاز داریم؟ به چه دلیل انسان ها یک سوم عمر خود را در خواب می گذرانند؟ یا چرا حیوانات می خوابند؟

خواب برای همه موجودات دارای سیستم عصبی از جمله بی مهرگان بسیار حائز اهمیت است. امروزه محققان با کشف مکانیسم خواب در گورخرماهی و برخی شواهد در موش گامی به سوی حل این معما برداشته اند. اما هنوز دانشمندان علت مفید بودن خواب برای مغز و سلول های منفرد را کشف نکردند. همچنین بسیاری از حیوانات با وجود تهدید مداوم شکارچیان می خوابند. رازهای عجیبی در پشت پرده مسئله خوابیدن وجود دارد.

خب حالا داستان چیه؟

رهبری این تیم تحقیقاتی بر عهده پروفسور Lior Appelbaum، از دانشکده علوم زیستی گودمن Bar-Ilan و مرکز تحقیقات مغز بود.
این مطالعه جدید در مجله Molecular Cell منتشر شد. محققان دانشگاه بار-ایلان اسرائیل با کشف مکانیسم خواب در گورخرماهی و با برخی شواهد موجود در موش توانستند مسیری برای حل معمای خواب پیدا کنند. هنگامی که ما بیدار هستیم، فشار خواب هموستاتیک (خستگی) در بدن ایجاد می شود. هرچه مدت طولانی تری بیدار بمانیم، این فشار افزایش می یابد و در طول خواب کاهش می یابد. در نتیجه پس از یک خواب کامل و خوب شبانه به پایین ترین حد خود می رسد.
چه چیزی باعث افزایش فشار هموستاتیک می شود؟ و چه اتفاقاتی در شب باعث کاهش این فشار می شود تا آماده فعالیت در یک روز جدید باشیم؟

علت کاهش و افزایش فشار هموستاتیک

در طول ساعات بیداری، آسیب DNA در نورون ها تجمع می یابد. این آسیب می تواند توسط عوامل مختلفی از جمله نور UV، فعالیت عصبی، تشعشعات، استرس اکسیداتیو و خطا های آنزیمی ایجاد شود. در هر زمان از شبانه روز سیستم های ترمیم در هر سلول، آسیب DNA را تصحیح می کنند. با این حال در حین بیداری، کاهش ترمیم باعث تجمع آسیب DNA در نورون‌ها می شود. مجموعه ای از این آسیب ها در مغز می‌ تواند به سطوح خطرناکی برسد که باید کاهش یابد. این مطالعه نشان داد که خوابیدن با بکار گرفتن سیستم ترمیم DNA باعث ترمیم کارآمد می شود تا فعالیت در روز ادامه داشته باشد.

روش انجام تحقیقات

آیا تجمع آسیب DNA می‌تواند «محرکی» باشد که فشار هموستاتیک و حالت خواب را تحریک می‌کند؟ محققان در مجموعه ای از آزمایش ها به پاسخ این سوال پرداختند.
آن ها با استفاده از تابش، فارماکولوژی و اپتوژنتیک، آسیب DNA را در گورخرماهی القا کردند تا چگونگی تأثیر آن بر خواب آنها را بررسی کنند. گورخرماهی با شفافیت مطلق، خواب مناسب شبانه و مغز ساده ای که شبیه به انسان است، ارگانیسم کاملی برای مطالعه این پدیده است.

با افزایش آسیب DNA، نیاز به خواب نیز افزایش یافت. این آزمایش نشان داد که در برخی مواقع تجمع آسیب DNA به حداکثر آستانه خود می رسد. این تغییرات فشار هموستاتیک را به حدی افزایش می دهد که میل به خواب تحریک شده و ماهی به خواب می رود. در پی آن، خواب ترمیم DNA را تسهیل کرد و منجر به کاهش آسیب DNA شد.

چند ساعت خواب کافی است؟

هیچ چیز مفید تر از یک خواب خوب شبانه نیست. تحقیقات قبلی اثبات کرد، تجمعات آسیب DNA همانند نیرویی است که فرآیند خواب را هدایت می کند. محققان مشتاق بودند بدانند، آیا می توان حداقل زمانی را که گورخرماهی نیاز به خواب دارد برای کاهش فشار خواب و آسیب DNA تعیین کرد. از آنجایی که گورخرماهی نیز مانند انسان به وقفه نور حساس است، دوره تاریکی به تدریج در طول شب کاهش یافت. پس از اندازه گیری آسیب DNA و خواب، مشخص شد که شش ساعت خواب در شب برای کاهش آسیب DNA کافی است. نتیجه آزمایش بسیار عجیب بود. در کمتر از شش ساعت خواب، آسیب DNA به اندازه کافی کاهش نیافت و گورخرماهی حتی در طول روز نیز به خواب خود ادامه داد.

نقش پروتئین PARP1

PARP1 همانند یک آنتن عمل می کند که می تواند زمان خواب را نشان دهد.

پروتئین PARP1 که بخشی از سیستم ترمیم آسیب DNA است، یکی از اولین مواردی است که به سرعت پاسخ می دهد. PARP1 مکان‌های آسیب DNA را در سلول‌ها علامت‌گذاری می‌ کند و تمام سیستم‌ ها را برای پاکسازی آسیب DNA به کار می‌ گیرد. مطابق با آسیب DNA، عملکرد PARP1 در مکان های شکست DNA در هنگام بیداری افزایش می یابد و در طول خواب کاهش می یابد. محققان از طریق دستکاری ژنتیکی و دارویی به بیان بیش از حد و کاهش PARP1 پرداختند. نتایج نشان داد که نه تنها افزایش PARP1 باعث بهبود خواب می شود، بلکه افزایش ترمیم وابسته به خواب را نیز به دنبال دارد. در مقابل، مهار PARP1 سیگنال ترمیم آسیب DNA را مسدود کرد. در نتیجه، ماهی ها از خستگی خود آگاه نبودند، نخوابیدند و هیچ ترمیمی برای آسیب DNA آن ها رخ نداد.

برای تقویت یافته‌های مربوط به گورخرماهی، نقش PARP1 در تنظیم خواب بر روی موش‌ها با استفاده از EEG و با همکاری پروفسور آزمایش شد. پروفسور Appelbaum می گوید: «مسیرهای PARP1 می توانند به مغز سیگنال دهند که برای انجام ترمیم DNA نیاز به خواب دارد.»

نتیجه گیری

در مطالعه قبلی، پروفسور Appelbaum و تیمش از تصویربرداری سه بعدی تایم لپس برای تعیین تاثیر خواب بر افزایش پویایی کروموزوم استفاده کردند. با افزودن قطعه فعلی به پازل تحقیقات، میتوان گفت PARP1، خواب و پویایی کروموزوم را افزایش می دهد. این فرایند باعث تسهیل ترمیم موثر آسیب DNA تجمع یافته در ساعات بیداری می شود. ممکن است، فرآیند ترمیم DNAدر طول ساعات بیداری در نورون ها به اندازه کافی کارآمد نباشد. بنابراین برای ترمیم موثر، به یک دوره خواب با کاهش ورودی به مغز نیاز دارد.

این مکانیسم ممکن است ارتباط بین اختلالات خواب، پیری و اختلالات عصبی، مانند پارکینسون و آلزایمر را توضیح دهد. پروفسور Appelbaum معتقد است که تحقیقات آینده به بررسی عملکرد خواب در حیوانات دیگر از بی مهرگان تا در نهایت انسان کمک خواهد کرد.

منابع

• 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; DOI: 10.1016/j.molcel.2021.10.026

مترجم: فائزه الیاسی | ویراستاری و تولید محتوا: مطهره تقی پور