Благодаря генетическим исследованиям учёным удалось выявить три гена периферических тканей, регулирующих процесс сна. Какое значение это может иметь для исследователей?
Всем людям известно о важности
хорошего сна. Учёными было доказано пагубное влияние длительного недосыпания на здоровье человека. Поскольку основным показателем наступления сна является потеря сознания, а большое количество негативных последствий недостатка сна связаны с мозгом, исследователи сна, естественно, сосредоточили своё внимание на нейронах при изучении регуляции сна.
Новое исследование, которое было опубликовано в журнале Cell Reports, смогло перевернуть представление об изучении сна. Команда учёных из Токийского университета и Университета Цукубы обнаружили три ключевых гена, которые играют важнейшую роль в регуляции сна - не в мозге, а в периферических тканях.
Полученные данные свидетельствуют о том, что состояние сна связано с белковым гомеостазом: стресс эндоплазматического ретикулума (ER) и снижение регуляции биосинтеза белка в периферических тканях запускают процессы, вызывающие сон.
«В течение долгого времени учёные сосредотачивались на изучении состояния сна на основе процессов, которые происходят в мозге, но мы обнаружили, что периферические ткани на самом деле запрашивают «разрешение» на сон у мозга», - говорит Ю Хаяси, нейробиолог из Токийского университета и соавтор исследования.
С учётом того, что длительное бодрствование приводит к более продолжительному и глубокому сну, Хаяси сделал предположение, что в организме должны существовать вещества, способствующие сну, которые накапливаются в течение того времени, когда организм бодрствует.
Для того, чтобы проверить свою гипотезу группа исследователей во главе с Хаяси выбрала простой в обращении модельный организм с известными закономерностями развития сна: Caenorhabditis elegans (свободноживущая почвенная нематода с длиной туловища около одного миллиметра). Нематода была первым многоклеточным организмом, чей геном был полностью секвенирован.
Фото: the-scientist.com
Тайзо Кавано, исследователь сна из Университета Цукубы и соавтор исследования, создал сотни случайных мутаций и наблюдал, как они влияют на сон нематод. Кавано обнаружил, что мутации в трёх генах способствовали тому, что эти организмы спали значительно дольше, чем обычно.
Две мутации, выявленные Кавано и его командой, относятся к генам sel-1 и sel-11, которые участвуют в деградации неправильно сформованных белков в ER. У мутировавших нематод наблюдалось накопление белка по пути ответа на разворачивание белка (UPR) и последующий стресс эндоплазматического ретикулума.
Команде учёных также удалось идентифицировать третий ген, влияющий на режим сна этих многоклеточных организмов, - метионил-тРНК-синтетазу (mars-1), которая критична для этапов инициации и удлинения трансляции при биосинтезе белка. Группа исследователей заметила, что у нематод с мутацией mars-1 глобальная трансляция подавлена, что приводит к увеличению количества спящих.
Поскольку потеря сна вызывает ER-стресс и нарушает синтез белка, Кавано и его коллеги полагают, что организмы справляются с ER-стрессом в периферических тканях при помощи передачи сигналов мозгу о необходимости сна.
Далее команда использовала тканеспецифичные промоторы для восстановления экспрессии этих генов в различных частях тела и обнаружила, что экспрессия в эпидермисе нематод восстанавливает нормальный фенотип сна. Полученные результаты впервые подтвердили, что данные три гена участвуют в регуляции сна и функционируют именно в периферических тканях, а нейронная сигнализация происходит ниже по течению от этих путей.
Амита Сехгал, нейробиолог из Пенсильванского университета, не принимавшая участия в исследовании, была впечатлена методами, использованными группой. «Авторы этого исследования использовали непредвзятый подход. У них не было никаких предвзятых представлений о том, что необходимо для сна. При использовании прямых генетических скринингов вы позволяете животным рассказать вам о том, что важно для сна», - прокомментировала она.
Наконец, команда учёных решила провести эксперименты на мышах, чтобы подтвердить, что эта же функция сохраняется и у млекопитающих. Как фармакологическое, так и генетическое ингибирование этих же генов и путей увеличивало продолжительность сна у мышей.
Хаяси надеется, что это исследование даст толчок новой эре изучения сна, в которой основное внимание будет уделяться не мозгу, а телу. В заключение Сехгал отметила, что сейчас наступило интересное время для работы в области изучения сна.
Сон по-прежнему остаётся "чёрным ящиком" биологии; на него люди тратят треть своей жизни, однако исследователи понимают его очень слабо.
«Данное исследование показывает, что изучение сна сходится на определённых путях, включая UPR, которые, вероятно, представляют собой фундаментальные основы регуляции сна», - говорит Сехгал.