U ryb je schopnost usnout řízena signální cestou, která zahrnuje biologicky starý receptor epidermálního růstového faktoru, uvádí studie. Věda Zálohy. Ukázali to američtí vědci při pokusech se zebřičkou (Danio Rerio). Provedli také další analýzu genetických dat od téměř půl milionu lidí a ukázali, že stejný mechanismus může fungovat i u nich. Jak je již známo z minulých studií, mechanismus regulace spánku a bdění objevený v nové práci u ryb a lidí funguje také u bezobratlých.
Spánek je období, kdy tělo velmi slabě reaguje na vnější podněty a téměř se nehýbe. Pozoruje se jednou denně nebo častěji. U zvířat s dobře vyvinutým nervovým systémem je spánek rozdělen do fází, z nichž každá má své vlastní charakteristiky mozkové aktivity. Primitivnější organismy zřejmě mají také spánek (byl nalezen i u medúz), ale jeho stavba není tak složitá. Poruchy spánku vyvolávají různé zdravotní problémy a přirozeně snižují výkonnost jedince.
Spánkové mechanismy jsou často studovány u bezobratlých, jako je škrkavka. Caenorhabditis elegans a mouchy tohoto druhu Drosophila. Mají podstatně méně neuronů než lidé, hlodavci a dokonce i ryby a obecně jsou známy systémy nervových buněk a jejich spojení zprostředkovávající spánek.
Méně je známo, jak je spánek obratlovců regulován. Je známo, že u zebřiček se hormon koncentrující melanin a orexin podílejí na řízení spánku a bdění, ale dosud u nich nebyly nalezeny geny, které by jednoznačně odpovídaly „genům kontroly spánku“ bezobratlých. Nejpravděpodobnějším kandidátem na tuto roli je gen receptoru epidermálního růstového faktoru. Homology tohoto genu se nacházejí u much, škrkavek a obratlovců, což znamená, že byly nalezeny i u společného předka všech těchto organismů.
Jeho roli v regulaci spánku u obratlovců a také roli molekul zapojených do stejné signální dráhy zkoumali vědci vedení Davidem A. Proberem z California Institute of Technology na zebřičkách. Tato ryba, stejně jako lidé, v noci spí a ve dne je vzhůru, takže vědci zjistili, že je možné z ní přenést data ze spánkových experimentů k našemu druhu.
Biologové ověřili, jak se změní spánek u zebřiček z různých linií, ve kterých se změnila aktivita jednoho z genů – egfra, tgfa nebo např. Všechny kódují proteiny, které se účastní signální dráhy receptoru epidermálního růstového faktoru. Jako kontrola byly použity ryby s dysfunkcí hypokretinového genu. hcrt a některé další. Po behaviorálních experimentech byla provedena histologická analýza mozku každé ryby, aby bylo možné pochopit, které buňky byly ovlivněny posílením nebo oslabením konkrétního genu.
Upregulovaná zebrafish tgfa více spal. Tento gen kóduje nádorový růstový faktor alfa, který se může vázat na receptor epidermálního růstového faktoru. Histologická kontrola to potvrdila tgfa působí v nervových a gliových buňkách rybího mozku. Snížený výraz egfra (tento gen kóduje samotný receptor epidermálního růstového faktoru) vedlo k tomu, že zvířata spala méně. Takové účinky jsou v souladu s reakcemi bezobratlých na podobné manipulace.
Výsledky pokusů na zebřičkách byly ověřeny i celogenomovým pátráním po asociacích s využitím genetických dat od více než 453 tisíc lidí evropského původu. Autoři hledali souvislost mezi jednonukleotidovými polymorfismy genů ERBB4 и KSR2 a poruchy spánku subjektů ve vzorku. Oba tyto geny se podílejí na signálních drahách, mezi které patří receptor epidermálního růstového faktoru. Tato spojení byla objevena: určité možnosti ERBB4 и KSR2 významný (str
Vědci došli k závěru, že receptor epidermálního růstového faktoru a signální dráhy, ve kterých je tento protein obsažen, regulují spánek nejen u bezobratlých, ale také u ryb a lidí. U zebřiček jsou známy malé molekuly, které dokážou inaktivovat protein kódovaný genem KSR2a tím zkrátit dobu spánku. Je velká šance, že existují další látky, které ovlivňují stejnou signální dráhu – a teoreticky by se daly použít k léčbě poruch spánku u lidí.
Spánek je tak důležitou součástí lidského života, že se od roku 2008 slaví pátek před jarní rovnodenností jako jeho světový den. V roce 2019 to připadlo na 15. března: tehdy jsme vydali materiál věnovaný nespavosti, jejím příčinám a možné léčbě.
Biologové z Izraele zjistili, že délka spánku larev zebřičky je regulována množstvím poškození DNA nahromaděného neurony za den. Šest hodin spánku stačilo ke zvrácení tohoto poškození a snížení homeostatického tlaku, který způsobuje, že zvíře chce spát. Článek uveřejněný v časopise Molekulární buňka.
Spánek je proces, který je nezbytný pro téměř všechna zvířata od medúz až po člověka. Spánek je regulován cirkadiánními rytmy (cyklické kolísání biologických procesů souvisejících s cyklem dne a noci) a homeostatickým spánkovým tlakem (postupně se zvyšující touhou spát), který je po probuzení minimální a zvyšuje se úměrně s dobou bdění. Množství spánku, které různé druhy potřebují ke snížení tohoto tlaku, se velmi liší. Například noční opice spí 17 hodin denně, dospělý potřebuje 7–8 hodin spánku a divocí sloni asi dvě hodiny. Tento rozdíl vyvolává otázku, jaké mechanismy regulují délku spánku.
Jedním z procesů, které aktivně nastávají během spánku, je oprava DNA. Spánek je pro neurony kritický: jejich aktivita vede k akumulaci poškození DNA a během spánku je pozorováno výrazné snížení úrovně poškození. Před dvěma lety vědci z Bar-Ilan University pod vedením profesora Liora Appelbauma prokázali, že během spánku dochází v neuronech k chromozomálním pohybům, které jsou nezbytné pro efektivnější opravu. Vědci provedli svůj výzkum na larvách zebřiček. Tyto ryby, stejně jako lidé, v noci spí a jejich spánek lze snadno sledovat pomocí EEG.
Tentokrát výzkumný tým Appelbaum studoval, jak poškození DNA ovlivňuje homeostatický tlak a délku spánku, a také zkoumal molekulární opravné mechanismy aktivované během spánku. Vědci opět použili larvy zebřiček, které byly simulovány změnou osvětlení. Mozková aktivita larev byla zaznamenávána po dobu dvou dnů, počínaje prvním dnem ráno. Larvy byly rozděleny do několika skupin s různou délkou spánku první noci. Kontrolní skupina spala první noc 10 hodin a ostatní skupiny byly po určité době probuzeny záblesky světla. Druhou noc k žádnému nedostatku spánku nedošlo. I když zebřičky spí ve tmě, mozková aktivita odpovídající spánku byla pozorována i během dne. Pokud larvy první noc spaly dvě nebo čtyři hodiny, další den se doba denního spánku oproti kontrole prodloužila. To znamená, že dvě nebo čtyři hodiny nestačí ke zmírnění homeostatického spánkového tlaku. Ve skupině, která první noc spala šest hodin, k tomuto prodloužení denního spánku nedošlo a autoři dospěli k závěru, že šest hodin je minimální doba potřebná k uvolnění homeostatického spánkového tlaku.
K posouzení úrovně poškození DNA po spánku různého trvání použili vědci γH2AX, marker dvouřetězcových zlomů DNA. Množství poškození DNA bylo hodnoceno během prvního dne, první noci (kdy byly některé skupiny vystaveny spánkové deprivaci) a následujícího dne. Na konci prvního dne došlo k dvojnásobnému poškození DNA než na začátku dne. Ke konci noci se míra poškození v kontrolní skupině vrátila k normálu. Dvou- a čtyřhodinový spánek nesnížil počet poškození DNA: zůstal stejně vysoký jako na konci prvního dne nebo se mírně snížil. Šest hodin spánku zároveň snížilo úroveň poškození DNA na kontrolní úroveň. Šest hodin spánku tedy stačilo nejen ke zmírnění homeostatického spánkového tlaku, ale také k odstranění poškození DNA nahromaděného během dne.
Protože oprava poškození DNA závisela na tom, jak dlouho larvy spaly, rozhodli se vědci otestovat, zda množství nahromaděného poškození ovlivnilo délku spánku. K vyvolání poškození DNA biologové použili pentylentetrazol (PTZ), stimulátor neuronální aktivity. Délka spánku byla definována jako počet minut v každé hodině, během kterých EEG vykazovalo vlny charakteristické pro spánek s pomalými vlnami. Bezprostředně po přidání PTZ se délka spánku a hladiny γH2AX v neuronech zvýšily, přičemž úrovně poškození DNA se vrátily na kontrolní úrovně tři hodiny po přidání PTZ a doba spánku se vrátila po pěti.
Aby se ujistili, že prodloužení doby spánku bylo způsobeno poškozením DNA a nikoli vedlejšími účinky PTZ, biologové navíc použili ultrafialové světlo. Po ultrafialovém ozáření se zvýšila úroveň poškození DNA a délka spánku. Skutečnost, že ultrafialové světlo nestimuluje neurony, byla ověřena hladinou fosforylované formy ERK kinázy, hlavního markeru neuronální aktivity. Po UV ozáření nedošlo k žádné změně hladin p-ERK, což znamená, že všechny pozorované účinky byly způsobeny poškozením DNA.
Autoři navrhli, že signálem pro spánek by mohla být nejen akumulace poškození DNA, ale také aktivace opravných enzymů. Jedním z proteinů zapojených do opravy je PARP1. Rozpoznává poškození DNA a přitahuje další proteiny do místa zlomu. Biologové studovali kolísání hladin PARP1 během cyklu spánku a bdění a zjistili, že hladiny PARP1 se během dne zvyšovaly a v noci snižovaly. Pokud došlo ke spánkové deprivaci, byly hladiny PARP1 následující ráno vyšší než v kontrolní skupině. Aby otestovali, zda množství PARP1 ovlivňuje délku spánku, vytvořili biologové linii zebřičky se zvýšenou expresí genu. PARP1 a řádek, ve kterém je výraz PARP1 byla snížena. Délka spánku nadměrně exprimujících larev PARP1 zvýšil, zatímco larvy se sníženou expresí se snížily.
Kromě aktivity PARP1 biologové pozorovali aktivitu dalších opravných enzymů. Za tímto účelem jsou to transgenní linie zebrafish, ve kterých byl fluorescenční protein GFP připojen k proteinům Rad52 (zodpovědný za homologní rekombinaci) a Ku80 (zodpovědný za opravu dvouřetězcových zlomů). Hladiny fluorescence Ku80 a Rad52 byly nízké během dne, ale významně se zvýšily v noci. Pokud došlo ke spánkové deprivaci, hladiny Ku80 a Rad52 zůstaly nízké ihned po probuzení a k normálu se vrátily až následující noc po 8–9 hodinách.
Spánek je důležitý fyziologický proces a poruchy spánku typicky ovlivňují celé tělo. Například i jedna bezesná noc zvyšuje hladinu úzkosti a také zvyšuje množství proteinu tau v krvi, markeru Alzheimerovy choroby.
