撰文 | 刘莹莹

责编 | 杨   枭



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长期以来，科学家们一直在研究睡眠。睡眠似乎是生命的基础，但在许多方面仍是一个神秘的现象。早在1989年，美国芝加哥研究人员对大鼠进行的一项研究表明，完全缺乏睡眠会导致死亡 [1]。然而，尽管经过了几十年的研究，有关睡眠剥夺的核心问题仍然没有解决，为什么动物不睡觉就会死呢？
 

 

2020年6月4日，美国哈佛医学院的神经科学家们在 Cell 杂志上发表了一项研究，发现不睡觉会使果蝇肠道内活性氧累积，导致果蝇死亡，而中和这些活性氧后，果蝇就算不睡觉也能存活。

这项新的研究结果颠覆了人们的固有认知。关于不睡觉就会导致死亡，人们的研究主要集中在大脑上，之前更多的研究认为睡眠不足更多的是影响神经系统的功能。这项研究却发现睡觉不足会通过肠道中活性氧的累积来导致死亡，而且这种死亡可以通过中和活性氧得到避免。
 


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不睡觉的果蝇肠道内ROS累积


研究者选择果蝇作为研究睡眠的模式动物，因为果蝇和哺乳动物的睡眠特点类似。

首先，研究人员获得了经过基因改造的果蝇，使神经元表达温敏蛋白。将果蝇置于29°C 的环境中，蛋白被激活，果蝇不能睡觉。置于21°C 环境下的果蝇，蛋白不启动活性，故能正常睡觉，作为对照组。研究人员发现，果蝇不睡觉10天左右死亡率会上升，并且在20天内全部死亡。
 
那么，果蝇死亡之前，身体内发生了什么致命的变化吗？由于不睡觉的果蝇是在第10天死亡率增加的，所以在这前几天的时间，研究者对不睡觉的果蝇进行了解剖，发现与对照组的果蝇相比，它们的组织都没有受到伤害，但有一处非常明显的例外，肠道里充满了活性氧（reactive oxygen species，ROS），且不睡觉持续的时间越长，ROS累积得就越多。

 

 

果蝇不睡觉第10天，果蝇肠道ROS水平累积达到高峰。来源：文献[2]


活性氧是带有一个多余电子的氧原子的分子。生物体在正常的呼吸、代谢和免疫防御过程中可以产生活性氧，但如果活性氧没有被抗氧化酶清除，它们就会变得极其危险，因为活性氧携带的不平衡的氧会剥离DNA、蛋白质和脂类中的电子，造成氧化损伤，如活性氧可能会使DNA发生断裂、突变以及对热稳定性改变等，从而严重影响了遗传信息的正常转录、翻译过程；还会导致蛋白质肽链断裂；此外，对生物膜的损伤，使膜的完整性被破坏、影响膜的功能与抗原特异性，导致广泛性损伤和病变。所以，活性氧过度的累积对细胞是致命的损伤。

发现这种现象后，研究者采用令一种更传统的方法让野生型的果蝇不睡觉：每两秒摇动装有果蝇的试管，然后检查活性氧的水平是否与睡眠缺失的程度相关。与上述相似，持续不睡觉的果蝇肠道中，活性氧逐渐累积。
 
之后，研究者又选择小鼠作为第二种睡眠的模式动物，验证这一发现是否能推广到哺乳动物身上。他们将小鼠关在一个装有旋转杆的笼子里，旋转杆可以轻轻地推动小鼠移动，让它们连续5天不睡觉。不睡觉的小鼠在小肠和大肠内的活性氧水平升高，但在其他器官中没有，这一发现与在果蝇上的观察结果惊人地一致。

 

 

不睡觉的小鼠在小肠和大肠内的ROS水平升高。来源：文献[2]



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ROS累积导致细胞损伤和果蝇死亡



接下来就有一个疑问，活性氧和死亡的因果关系是怎样的呢？到底是积聚的活性氧导致果蝇的死亡？还是死亡导致了活性氧的累积？
 
研究者发现，果蝇不睡觉一周后，其肠道活性氧激增，在不睡觉第10天时，肠道里的活性氧水平达到高峰，这是细胞处于危机状态的信号。另外，研究者还发现其他氧化应激标志物，如DNA 损伤、应激颗粒、溶酶体以及细胞凋亡和坏死，在不睡觉的10 天后才会升高。神奇的是，在果蝇不睡觉的前10天之内，如果让果蝇正常睡觉，果蝇能正常活下来，且果蝇肠道活性氧水平会逐渐降低到正常水平。因此，研究者指出，这说明睡眠不足引起的肠道活性氧的增加导致了果蝇的死亡，不过并没有给出究竟多少量的活性氧会导致死亡。

 

 

ROS累积先于其他氧化应激标志物出现。来源：文献[2]



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中和肠道ROS可拯救果蝇



既然不睡觉使肠道活性氧增加导致死亡，那么如果中和这些活性氧能否拯救果蝇呢？

为了解决以上问题，研究者找到了对果蝇有效的抗氧化剂，包括褪黑素、硫辛酸或 NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），并喂给果蝇，结果发现不睡觉的果蝇竟然能活到正常的寿命。
 

 

抗氧化剂治疗降低肠道ROS水平。来源：文献[2]


由于抗氧化剂是通过食物摄入，不能完全排除对其他器官产生影响，从而起到保护作用。为了直接测试肠道的作用，研究者通过转基因技术特异性提高了肠道内的抗氧化酶的表达水平，就能特异性清除肠道活性氧，排除一切其他因素后，也得到了同样的结果。值得注意的是，当他们提高神经系统的抗氧化酶水平时，并不会出现这种情况。
 
这一发现表明，在某些情况下，动物确实可以不睡觉生存。该研究的通讯作者 Dragana Rogulja 在接受 Quanta 杂志采访时激动地表示，“我无法想象在科学中会有这么多的乐趣，我们全家，还有整个实验室，会在早上聚在一起观察，一旦我们开始给它们服用这些抗氧化剂，它们就会活着。它们不仅活着，而且看起来很好 [3]。”

 

 

来源：文献[2]


Rogulja 认为，他们的发现揭示了睡眠对身体的氧化调节是至关重要的，尤其是在肠道内，而这很可能会对身体产生广泛的影响。另外，该发现与之前一系列氧化与睡眠不足有关的研究报告相吻合。
 
“这些结果非常令人兴奋，首次提出预防严重的抗氧化失衡可以替代果蝇的睡眠。我相信这将对理解睡眠功能和睡眠限制的病理生理学方面带来一系列新的突破。” 美国威斯康星医学院的神经学与细胞生物学教授 Carol Everson 在接受《知识分子》采访时评论说，这位科学家在2014年发现了睡眠不足和细胞损伤之间的联系 [4]。
 
美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院教授 Jini Naidoo 博士认为，这篇论文清楚地表明睡眠和大脑外存在联系。Naidoo 告诉《知识分子》， “事实上，我们之前的研究已经表明，即使是急性睡眠缺失也会导致胰腺细胞应激，尤其是在经历更多细胞和氧化应激的老年动物中 [5]。大脑没有受到影响，这一事实表明大脑可能已经进化出比外围更适应氧化应激的机制。”
 
她同时评论说，从抗氧化治疗可以拯救濒临死亡的果蝇来看，肠道及其周围组织对机体整体健康的重要性是显而易见的。
 
然而，目前还有很多问题没有解决，没有人知道活性氧从哪里来？为什么它们在肠道累积？活性氧通过什么过程代谢？或怎样的代谢途径能够产生它们?睡眠不足是否会导致活性氧过度产生?或者它干扰了正常情况下清除它们的过程?为什么活性氧会与睡眠有关呢?
 
即使这样，这项研究结果开创性地将睡眠与肠道内活性氧联系起来，上述问题有待进一步探索。就像 Rogulja 所说：


我们很多人长期睡眠不足。即使我们知道每天晚上熬夜不好，我们还是熬夜。我们相信我们已经确认了一个核心问题，这个问题一旦解决，不睡觉也能生存，至少果蝇是这样。



“我们需要了解睡眠剥夺损害身体的生物学机理，才能找到预防（熬夜）损害身体的方法。” 她说。


参考文献

[1] Everson, Carol A., Marcia A. Gilliland, Clete A. Kushida, June J. Pilcher, Victor S. Fang, Samuel Refetoff, Bernard M. Bergmann, and Allan Rechtschaffen. "Sleep deprivation in the rat: IX. Recovery." Sleep 12, no. 1 (1989): 60-67.

[2] Vaccaro et al., Sleep Loss Can Cause Death through Accumulation of Reactive Oxygen Species in the Gut,Cell (2020),https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.049

[3] https://www.quantamagazine.org/why-sleep-deprivation-kills-20200604/

[4] Everson, Carol A., Christopher J. Henchen, Aniko Szabo, and Neil Hogg. "Cell injury and repair resulting from sleep loss and sleep recovery in laboratory rats." Sleep 37, no. 12 (2014): 1929-1940.

[5] Naidoo, Nirinjini, James G. Davis, Jingxu Zhu, Maya Yabumoto, Kristan Singletary, Marishka Brown, Raymond Galante, Beamon Agarwal, and Joseph A. Baur. "Aging and sleep deprivation induce the unfolded protein response in the pancreas: implications for metabolism." Aging cell 13, no. 1 (2014): 131-141.

 

 

来源：知识分子