В ночном небе парит кровать с белыми простынями и подушками, символизирующая потребность животных во сне — причину, которую недавно обнаружили учёные. В верхней правой части изображения виден ярко-жёлтый полумесяц. Источник изображения:©iStock, Alones Creative
Существует множество гипотез о том, почему животным нужен сон, но до недавнего времени учёным не удавалось найти убедительные доказательства.
Специалисты долгое время пытались выяснить, почему животным нужен сон. Они выдви-нули множество гипотез, в том числе о необходимости восстановления метаболизма, консолидации памяти и укрепления иммунной системы, но все они в значительной степени основывались на наблюдаемых корреляциях.
Недавно исследователи обнаружили, что накопление токсичных молекул в митохондриях может быть тем ответом, который они искали.1 Геро Мизенбёк, нейробиолог из Оксфордского университета, и его коллеги показали, что степень утечки электронов из
цепи переноса электронов в митохондриях определяет, сколько спят плодовые мушки. Их результаты, опубликованные в Nature, указывают на механистическую причину, по которой разным животным, в том числе людям, нужен сон.
«Это знаковое исследование функций сна, — сказал Ван Сэвидж, биолог-теоретик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не принимал участия в исследовании. — Это как неопровержимое доказательство того, почему нам нужен сон».
Чтобы вырабатывать энергию, клетки переносят электроны из цикла Кребса через четыре белковых комплекса во внутренней мембране митохондрий. Этот процесс известен как клеточное дыхание. Поток электронов создаёт градиент протонов на мембране митохондрий, который АТФ-синтаза может использовать для выработки АТФ. Когда электроны наконец достигают цитохром-с-оксидазы (комплекс IV), они соединяются с протонами водорода и кислородом, образуя воду. Но иногда электроны могут попасть в митохондриальный матрикс, не достигнув конца транспортной цепи. Когда это происходит, электроны могут восстанавливать свободный кислород, образуя активные формы кислорода, которые токсичны для клеток. Метаболически активные клетки, такие как нейроны, особенно подвержены такой утечке.
«Дыхательная цепь работает с одиночными неспаренными электронами, и если вы делаете это в присутствии кислорода, то почти наверняка столкнётесь с утечкой электронов, — сказал Мизенбёк. — Жизнь хочет использовать дыхание, потому что оно даёт много энергии, но ей приходится как-то справляться с утечкой электронов, и один из способов — сон. Мы считаем, что это главный компромисс, лежащий в основе всего этого».
Ранее команда Мизенбёка выявила в мозге плодовой мушки группу нейронов, регулирую-щих сон, которые называются дорсальными веерообразными нейронами тела (dFBNs).2 Несколько лет спустя исследователи обнаружили, что метаболические побочные продукты митохондриальной цепи переноса электронов регулируют активность этих нейронов, впервые установив прямую связь между сном и митохондриями.3
Мизенбёк и его коллеги хотели определить молекулярные механизмы, лежащие в основе потребности во сне. Поэтому в рамках настоящего исследования они провели одноклеточную транскриптомику мозга хорошо отдохнувших и лишённых сна мух. Они продемонстрировали, что в дегенерирующих нервных клетках отсутствие сна приводит к усилению экспрессии мРНК, кодирующих компоненты комплексов цепи переноса электронов, включая АТФ-синтазу. Однако эти изменения не были обнаружены при комплексном анализе других клеток головного мозга, что подтверждает важность dFBN в регуляции сна.
Затем, чтобы понять, как клеточное дыхание регулирует сон, Мизенбёк и его коллеги манипулировали переносом электронов в противоположных направлениях. Сначала исследователи сверхэкспрессировали белки, которые могли рассеивать протонный градиент, генерирующий АТФ, в дорсальных фасеточных нейронах мух. Это увеличивало потребность в метаболически генерируемых электронах и уменьшало их утечку. В результате мухи спали меньше. С другой стороны, исследователи имитировали увеличение утечки электронов из митохондрий, передавая синтез АТФ на аутсорсинг с помощью экспрессии архейного протонного насоса. Эта манипуляция сделала электроны, участвующие в цикле Кребса, ненужными и увеличила время, которое мухи проводят во сне.
«Возникает очевидный вопрос: происходит ли то же самое в мозге млекопитающих? — сказал Мизенбёк. — Я бы так не думал, но формально это нужно доказать».
Сэвидж сказал: «Это исследование убедительно доказывает, что основная функция сна — замедлять метаболизм, но это не значит, что другие функции, такие как консолидация памяти или укрепление иммунной системы, не задействованы».
Источник: TheScientist
