你的DNA時刻都在斷裂，只有睡夠了才能修復它

本文轉自 | 環球科學

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dna斷裂是一個正常的生理過程，但它也極具危害。如今，科學家終於找到了人類避免這種危害的方法——你我都熟悉的睡眠。也就是說，如果不好好睡覺，你也許就是在變相自殺。

撰文 | clefable

審校 | 李詩源

如果將人比作一臺依靠電池執行的機器，清醒時的學習、思考和運動等行為和安穩、平靜的睡眠則分別對應著放電和充電的過程。類似於在手機上看影片、玩遊戲會更快消耗電量，一些活動也會加速人體的“放電”過程，讓人更需要休息。

比如當你生病時，你的免疫系統需要與一些病毒、細菌或癌細胞激烈作戰；或者你為了考試和工作，腦袋需要不停歇地運轉一整天；又或者是你外出活動了一整天……這些時候，你睡覺的時間往往會更長，睡眠也會更深。

當機器沒有電時，它就不能繼續工作；當身體放完“電”時，你也會感覺到該休息了。與機器不同的是，人體更復雜。雖然你可以在打“雞血”後繼續熬夜、連軸運轉，但這一切都是有代價的。當你不願意按時回到床上時，你的身體就正式進入深度“磨損”狀態了。

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每個熬過夜的人可能都切身體會過這種“磨損”的代價：身心俱疲，甚至某些部位隱隱作痛，對疼痛的感知力降低，注意力無法集中……很多研究已經證實，在睡眠不足時，我們的大腦首當其衝，它會無法形成新記憶和自我清潔，導致有毒物質在大腦中富集並引發炎症，進一步導致記憶減弱、腦細胞受損。

此外，缺覺還會影響我們的生物鐘、加重心血管系統的負擔，腸道中也會開始堆積有害物質，從而引起炎症。這些效應都在增加人類過早死亡和壽命縮短的風險。在一些極端情況下，缺少睡眠還會直接導致死亡。看到這裡，你是否有個疑問：人為什麼需要那麼長的睡眠時間（成年人一天應當睡至少7個小時）？或者從根本上說，人究竟為什麼需要睡眠？

需要睡眠的動物

近年來，科學家發現了一個現象：不只是人，所有被研究過的、有神經系統的動物都需要睡覺，小到線蟲、昆蟲，大到包括人在內的各種哺乳動物。但各種動物需要的睡眠時間差異很大——大象每天只要睡2個小時，夜猴（night monkey，通常在夜間活動）卻需要多達17個小時。除了睡眠時長不同，各種動物的睡覺方式也不同。一些動物睜著眼也可以睡覺，例如鳥類和海豚演化出了兩個半腦交替休息的方式，可以邊睡覺邊活動。可惜的是，人沒法做到這些。

如果這些有神經系統的動物都需要睡覺，我們可以推測，也許是神經系統中發生的某些改變，促使動物需要睡眠。近期，以色列兩所大學的科學家找到了答案，並將研究成果發表在《分子細胞》（molecular cell）上，這一發現或許揭示了生物需要睡眠的一個普遍原因——為了修復神經活動時裂開的dna。

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相比於安靜的狀態，在日常的活動中，或者在面對更需要腦力的學習、記憶任務或者突發情況時，大腦中的神經元需要更快地表達某些基因。為了適應各種變化，細胞不可能在冗長的dna鏈上逐個找到需要表達的基因，更高效的辦法是dna雙鏈直接斷開，讓大量要用到的基因先表達，並在斷裂位點做好標記，過後再進行修復。除了神經元以外，人體其他細胞中的dna也會由於各種情況出現損傷，也需要進行修復。

雖然dna雙鏈斷裂是神經活動中一個關鍵且正常的過程，但如果不及時修復，這會帶來很嚴重的後果。這種損傷也稱為dna雙鏈斷裂，是最具有細胞毒性的一種dna損傷，通常發生在癌症、神經退化和衰老等過程中。不過，dna雙鏈斷裂的修復過程十分複雜，需要啟用多條訊號通路、募集多種酶和蛋白複合體，因而需要較長的時間。

在白天，機體的活動增加，dna的損傷也會累積，避免這些損傷的危害的唯一辦法就是修復它們。但細胞在白天是沒有時間的，需要將更多的資源用在其他生命活動上，最後修復工作就拖到了晚上。研究人員發現，為了能讓細胞按時進行修復，隨著神經元dna損傷累積，睡眠壓力（也稱為恆定睡眠驅力，homeostatic sleep drive）會逐漸增加，強迫人去睡覺。在睡眠中，這種壓力水平會逐漸下降、回到一個低谷，讓我們醒來時感覺全身放鬆，充滿活力。

斑馬魚也要睡覺

睡眠壓力的來源有很多。如上文所述，當免疫系統、神經元和體細胞工作一段時間後，人體內有毒的代謝物和神經系統損傷都會增加，導致睡眠壓力增加。在新的研究中，科學家研究了斑馬魚的睡眠活動，證實了斑馬魚在清醒時，dna雙鏈斷裂數量會逐漸增加。

他們發現，在經過一天的活動後，斑馬魚單個神經元中dna雙鏈斷裂位點的數量會翻倍。隨後，他們給斑馬魚餵食了一種神經驚厥劑——戊四唑（可以導致神經元異常興奮）。僅3個小時之後，斑馬魚dna的斷裂位點數量就增加到了活動一天後的水平——也就是說，神經元越容易興奮，就越容易感覺到累。

研究人員發現與剛睡醒時（zt4）相比，斑馬魚活動一天後（zt14）的γh2ax位點數明顯增多，也就是說dna雙鏈斷裂數量增多。圖片來自原論文。

正常情況下，在休息10小時後，斷裂位點數才會降到較低的水平。暴露在戊四唑中後，這些斑馬魚需要的睡眠時間會增加。除了清醒時間更長和神經活動更興奮外，當斑馬魚暴露在紫外線（可以損傷dna）下時，它們也會需要更多的睡眠。

相比之下，如果只休息2個小時或者4個小時，斑馬魚dna上的斷裂位點數只會略微降低。在這種睡眠被剝奪的情況下，不僅dna的損傷會增加，dna損傷也會無法修復，也就是說dna結構的潰敗會越來越嚴重。

在沉睡中修復

生物想要繼續生存下去，dna的修復過程是必不可少的。但面對千瘡百孔的dna，修復過程從哪裡開始呢？這時，dna在斷裂位點留下的標記就發揮了作用。在染色體中，dna雙鏈纏繞在組蛋白上，在每一次雙鏈斷裂時，一種組蛋白——h2afx——都會被磷酸化，變成γh2ax。透過觀察γh2ax，科學家就能知道斑馬魚dna的斷裂情況，也可以依此來判斷修復情況。

他們進一步探究了dna修復過程的細節，發現在夜晚，當斑馬魚睡覺時，參與dna雙鏈斷裂修復的兩種蛋白（rad52和ku80）才會明顯增加，開始緊鑼密鼓地修復dna。除此之外，為了更好地修復dna，染色體的活動也會增加。如果染色體活動被抑制，dna損傷得不到及時修復，斑馬魚的睡眠時間就會延長，而且整個睡眠週期都會發生改變。

清醒和睡眠的迴圈：白天神經元的dna損傷增加，留下標記，導致睡眠壓力增加。晚上，染色體活動增加，parp蛋白募集修復蛋白，促進dna修復。圖片來源：原論文

這些生理過程都與一種dna損傷檢測因子——parp-1——有關，這個分子在多種生物體內高度保守。它是dna結構穩定的維護者，能促進受損的dna單鏈或雙鏈的修復，保障細胞的生存。根據研究人員的觀察，在白天，表達該分子的parp1基因會大量轉錄，增加睡眠壓力。由parp-1控制的訊號通路會在白天不停地給大腦發信息，提醒它休息。到晚上，你開始休息後，parp1轉錄產生的mrna會大量表達parp-1，這些分子會透過募集修復蛋白的方式，促進dna修復。當抑制parp1表達時，生物需要的休息時間會更少，但與此同時，dna修復過程和染色體活動都會減少。

更多清醒時間的代價

咖啡因為什麼能讓我們更加清醒？根據一項發表於1990年的研究，咖啡因能在抑制dna修復的同時，增強神經活動——也就是說，我們更有精力了，但後期或許需要更多的睡眠來補償。

研究人員表示，實驗中用到的幼年斑馬魚的神經系統雖然很簡單，但和更高等的脊椎動物（包括哺乳動物）的神經系統存在一定的相似性，能用於解釋動物需要睡眠的普遍原因。除此之外，parp-1還能影響人的生物鐘，在長期記憶的形成中也具有關鍵作用。而在睡覺時，染色體的活動不僅能促進dna的修復，也和神經元的可塑性、記憶的形成密切相關。也就是說，睡得好能幫助我們記住新學的東西，身體也更健康。

可以說，我們每一次思考、行動和激動等，可能都在讓我們的dna冒險，讓自己面臨衰老和疾病的威脅。但隨之而來的一場安逸、平靜的睡眠，能讓裂開的dna重新拼接，將我們拯救回來。這些過程週而復始，而我們只感覺到自己在慢慢長大、變老。

如果你已經學廢了，那就好好睡一下吧。

封面圖來源：pixabay

參考連結：

https：//www。cdc。gov/niosh/work-hour-training-for-nurses/longhours/mod2/11。html

https：//en。wikipedia。org/wiki/h2afx

https：//www。nature。com/articles/nrc2523

https：//www。frontiersin。org/articles/10。3389/fmolb。2020。00024/full

https：//journals。biologists。com/jeb/article/221/11/jeb159533/34132/the-origins-and-evolution-of-sleep

https：//www。cell。com/current-biology/fulltext/s0960-9822（16）31013-2？_returnurl=https%3a%2f%2flinkinghub。elsevier。com%2fretrieve%2fpii%2fs0960982216310132%3fshowall%3dtrue

https：//www。sciencedirect。com/science/article/abs/pii/s1097276521009333？via%3dihub

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上觀號作者：上海科協