導語：人的一生看似漫長，但三分之一的時間都在睡覺。其實，不止人類，自然界中的萬物幾乎都有規律性睡眠現象。睡眠現象背後的深層次原因，不僅你我好奇，科學家們也很好奇。生命科學的研究，歸根結底都繞不開基因，這條研究路徑同樣适用于解答睡眠與基因的關系。
近期研究發現，人類需要睡眠或許是為了修複時時刻刻都在斷裂的DNA。熬夜行為勢必會打亂正常睡眠周期，影響睡眠時長，由此留給DNA修複的時間大幅減少，而DNA斷裂卻不會止步不前。
睡眠期間的DNA修複
是如何調控的？
2021年11月18日，以色列巴伊蘭大學生命科學學院和多學科腦研究中心科研團隊在Molecular Cell發表了一篇題為“Parp1promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons”的研究（圖1）[1]。此項研究發現DNA損傷是睡眠的穩态驅動因素，而Parp1通路感覺細胞壓力并促進睡眠和DNA修複活動。
圖1 研究成果（圖源：[1]）
此項研究選用斑馬魚和小鼠為研究對象，通過紫外線輻射、藥物幹預和光遺傳學處理，誘導DNA損傷，并在單個神經元水準上分析睡眠在恢複核穩态中的作用。斑馬魚是科研常用的成熟睡眠模型，因為斑馬魚大腦透明、簡單且具有與人類相似的夜間睡眠模式，其大腦的結構和功能，以及DNA損傷和修複系統，在哺乳動物中是保守的（圖2）。研究結果如下：
圖2 透明斑馬魚（圖源：牛津大學）
1
累積的DNA損傷是斑馬魚睡眠的原因
随着DNA損傷的增加，斑馬魚對睡眠的需求也顯著增加。睡眠會增加神經元中Rad52和Ku80修複蛋白的聚集，進而使斑馬魚DNA損傷水準正常化。神經元DNA損傷水準與總睡眠時間之間存在很強的正相關（R=0.76），表明DNA損傷的數量可以預測修複所需的總睡眠時間。斑馬魚睡眠時神經細胞中的染色體移動速度是清醒時的兩倍，這種運動使得受損的DNA能夠自我重組和修複，如果斑馬魚的睡眠時間不足6小時，DNA損傷就并沒有充分減少，在白天也會繼續睡覺。
2
Parp1調控清除神經元DNA損傷
Parp1是DNA損傷修複系統的一部分，對單鍊和雙鍊DNA斷裂有反應，是一種DNA損傷檢測器，可用于DNA修複反應。Parp1在DNA斷裂位點的聚集，在斑馬魚清醒時增加，睡眠時減少。Parp1可以感覺到清醒時不斷增加的DNA損傷，如果損傷達到某個門檻值，它就向大腦發出信号，促進睡眠和DNA修複，進而減少DNA斷裂。相反，如果抑制了Parp1，斑馬魚就不會去睡覺，DNA修複也不會發生。即使在強烈的睡眠壓力下，Parp1敲除消除了DNA損傷誘導的睡眠、染色體動力學和修複（圖3）。
圖3Parp1調控清除神經元DNA損傷的過程（圖源：[1]）
注：作為細胞“天線”，Parp1蛋白（黃色）感覺和标記細胞中的DNA斷裂，驅動睡眠，并招募修複系統（綠色和藍色）。在睡眠期間，DNA修複系統會修複受損DNA。
3
Parp1的敲除影響睡眠品質
小鼠體内Parp1的敲除降低了非快速眼動睡眠的持續時間和品質。Parp1對睡眠深度的影響，超出其對睡眠持續時間的影響
Lior Appelbaum博士表示：“一般而言，我們在清醒的時候，DNA損傷會在神經元中積累，且豐富的神經元活動會誘導DNA雙鍊斷裂。這種斷裂可能由多種因素引起，包括紫外線、神經元活動、輻射、氧化應激和酶促錯誤。在我們睡眠期間，每個細胞内的修複系統都會糾正這些DNA斷裂。然而，神經元中的DNA損傷會在清醒時繼續積累，大腦中過度的DNA損傷會達到必須減少的危險水準。我們所發現的機制可以解釋睡眠障礙、衰老和神經退行性疾病之間的聯系，例如帕金森病和阿爾茨海默病。”
熬夜打亂睡眠規律
影響DNA損傷修複
日常生活中，有很多人因為生活所迫或職責所在，不得不熬夜，如醫生、酒店服務員、安保等。那麼，熬夜對他們的健康有什麼影響呢？2019年1月23日，香港大學在Association of Anaesthetists發表題為“The effect of sleep deprivation and disruption on DNA damage and health of doctors”的研究成果（圖4）[2]。該項研究是人類首批針對睡眠不足對基因的影響研究。
圖4 研究成果（圖源：Association of Anaesthetists）
此項研究調查了來自當地兩家公立醫院的49名健康的全職醫生。其中，24人需要通宵接聽現場電話，大部分人每月需要接聽五到六個電話。剩餘的25名醫生不需要接聽此類電話。通過對調查對象血液樣本分析，總結了睡眠不足對基因的影響。
研究結果
1、與正常工作時間的醫生相比，通宵接診的普通醫生的DNA斷裂要高出30%；
2、經過一夜的急性睡眠剝奪後，這種DNA損傷進一步增加了25%以上。睡眠不足的醫生與DNA修複相關的基因活性水準較低。
研究人員表示：“對于夜間工作所需并進行如麻醉或手術等技術性工作的醫生，我們真的應該盡量減少其夜間完成的手術數量。DNA損傷和較低的修複能力可能會帶來更大的健康影響，如增加癌症基因突變的幾率。這項研究的結果适用于工作模式與不定期上夜班的醫生相似的人。也許你應該考慮調查你的睡眠習慣，不要熬夜，給DNA損傷留有充足的修複空間，更加尊重地對待睡眠。”
人體無時無刻的
DNA損傷有哪些因果？
生物體内的基因組時刻都面臨着内源和外源的威脅，每個細胞每天都要發生多達105次DNA損傷[3]。
1
内源因素
許多類型的DNA損傷是由細胞記憶體在的生理過程産物引起的。比如在DNA複制過程中偶爾出現的DNA錯配、拓撲異構酶I和II活性喪失引起的DNA鍊斷裂、非酶介導的DNA甲基化反應和水解反應等，這些生物學過程均會導緻細胞每天産生數以千計的堿基損傷。除此之外，由于生物體需要氧化呼吸鍊提供生存所需的能量，是以處于活化狀态的氧化呼吸會産生較多的對細胞有害的活性氧化合物，活性氧的存在會損害DNA堿基配對和阻礙DNA複制和轉錄，進而導緻堿基的丢失或者DNA單鍊或者雙鍊斷裂[4]。
2
外源因素
除生理過程中導緻的DNA損傷之外，自然界中同樣存在較多影響DNA穩定性的不利因素。其中對DNA穩定性毒性最大的環境因素是空氣中的紫外線。盡管太陽光譜中的最危險的部分—紫外線C能夠被臭氧層大量的吸收，但是在較強的光照下，殘餘的紫外線A和紫外線B仍然能每小時每個細胞誘發大約105個DNA損傷位點。除紫外線之外，電離輻射同樣能誘導細胞産生各種各樣的DNA損傷，其中DNA雙鍊斷裂是威脅細胞基因組穩定性的最強的一種損傷類型。一些電離輻射是由天然放射性化合物的放射性衰變引起的，比如鈾的衰變會産生放射性的氡氣，這些氡氣在室内積聚會誘發肺癌。在癌症的化療過程中，也會接觸到天然或者人造放射性同位素。除此之外，還有很多的化學藥物也能引起比較嚴重的DNA損傷，比如自然界或者人為制造的一些緻癌有害藥物，癌症化療藥品等[5]。
在進化過程中，為了保證基因組染色體的完整性，機體已經進化出了一套識别并且準确修複DNA損傷的機制以應對損傷帶來的危害。目前數百個與DNA損傷修複相關的基因已被确定，它們主要參與了五個不同的，但功能上又互相關聯的途徑：堿基切除修複（Base Excision Repair，BER），核苷酸切除修複（NucleotideExcision Repair，NER），錯配修複（Mismatch Repair，MMR），非同源末端連接配接（Non-HomologousEend Joining，NHEJ）和同源重組（Homologous Recombination，HR）。根據DNA損傷類型的不同，機體分别以不同的方式對損傷進行修複。目前主要發現的修複方式有DNA雙鍊斷裂修複、DNA單鍊斷裂修複、切除修複、錯配修複、光複活修複（圖5）[6]。
圖5 DNA損傷與修複機制（圖源：[7]）
大多數DNA損傷皆可通過機體自我修複，不可修複的DNA損傷往往會帶來一系列惡劣後果。DNA損傷如果不被及時修複，很可能會幹擾細胞發揮正常的功能，例如惡性良性腫瘤抑制因子等關鍵基因發生損傷，會大大增加細胞癌變的可能性。研究表明氧化應激脂質過氧化造成的DNA氧化損傷是惡性良性腫瘤和其它慢性退行性疾病的重要緻病機理。如結直腸癌的前期病變克羅恩病、潰瘍性結腸炎、胰腺癌的前期病變慢性胰腺炎、以及肝癌有關的病毒性和酒精性肝炎、肝硬化等病理狀态下DNA氧化損傷水準都顯著升高[7]。
DNA損傷修複途徑維持着細胞遺傳物質的穩定，其功能的正常運轉對于細胞來說至關重要。目前來看，當細胞内一種或多種修複途徑缺陷時，往往會增加細胞發生癌變的風險。對于DNA損傷修複這一方向，包括新蛋白的鑒定以及結構功能解析、修複途徑的完善等依然是未來生命科學領域的熱點。此外，依托于基礎理論的建立，未來新的作用靶點鑒定以及特異性抗癌藥物的開發也将是生物醫學領域的主要方向。
題圖來源：Thred，僅用于學術交流。
撰文|文競擇
排版|文競擇
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參考資料：
[1]Zada D, Sela Y, Matosevich N, et al. Parp1 promotes sleep, which enhances DNA repair in neurons. Mol Cell. 2021 Dec16;81(24):4979-4993.e7. doi: 10.1016/j.molcel.2021.10.026. Epub 2021 Nov 18.PMID: 34798058; PMCID: PMC8688325.
[2] Cheung V, Yuen VM, Wong GTC, et al. The effect of sleep deprivation and disruption on DNA damage and health of doctors. Anaesthesia.2019 Apr;74(4):434-440. doi: 10.1111/anae.14533. Epub 2018 Sep 25. PMID:30675716.
[3]Hoeijmakers JH. DNA damage, aging, and cancer. N Engl JMed. 2009 Oct 8;361(15):1475-85. doi: 10.1056/NEJMra0804615. Erratum in: N EnglJ Med. 2009 Nov 5;361(19):1914. PMID: 19812404.
[4]Shi L, Oberdoerffer P. Chromatin dynamics in DNA double-strand break repair. Biochim Biophys Acta. 2012 Jul;1819(7):811-9. doi:10.1016/j.bbagrm.2012.01.002. Epub 2012 Jan 17. PMID: 22285574; PMCID:PMC3368990.
[5]Chapman JR, Taylor MR, Boulton SJ. Playing the end game: DNA double-strand break repair pathway choice. Mol Cell. 2012 Aug24;47(4):497-510. doi: 10.1016/j.molcel.2012.07.029. PMID: 22920291.
[6]Helena JM, Joubert AM, Grobbelaar S, et al. Deoxyribonucleic Acid Damage and Repair: Capitalizing on Our Understanding of the Mechanisms of Maintaining Genomic Integrity for Therapeutic Purposes. Int J Mol Sci. 2018 Apr11;19(4):1148. doi: 10.3390/ijms19041148. PMID: 29641431; PMCID: PMC5979424.
[7]Dedon PC, Plastaras JP, Rouzer CA, et al. Indirect mutagenesis by oxidative DNA damage: formation of the pyrimidopurinone adduct of deoxyguanosine by base propenal. Proc Natl Acad Sci U S A. 1998 Sep15;95(19):11113-6. doi: 10.1073/pnas.95.19.11113. PMID: 9736698; PMCID:PMC21604.
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