Убаюкивание улучшило качество сна мышей
Швейцарские ученые впервые показали, что ритмичные покачивания (убаюкивание) могут улучшить сон не только людей, но и мышей. Они выяснили, что раскачивание мышей во время сна с частотой 1 Герц позволило им быстрее засыпать и меньше просыпаться, за счет чего увеличилась фаза медленного сна. Также ученым удалось показать, что за улучшение качества сна при раскачивании отвечает стимуляция вестибулярного аппарата животных. Статья опубликована в журнале Current Biology.
В раннем детстве, когда нормальный режим сна еще только формируется, помочь ребенку лучше спать могут ритмичные горизонтальные покачивания — причем не только на руках у родителя, но и в специальной колыбели или детском кресле-качалке. Исследования показывают, что убаюкивание детей увеличивает длительность их сна, уменьшает моторную активность при просыпании и помогает быстрее заснуть. Механизм воздействия покачивания на улучшение сна объясняют работой отолитов — известковых образований на поверхности клеток вестибулярного аппарата, которые при изменении положения головы стимулируют вестибулярные волосковые клетки, расположенные во внутреннем ухе. Такая стимуляция, в свою очередь, воздействует на мозговой ствол, который играет важную роль в регуляции сна.
Роль вестибулярного аппарата в процессе засыпания, однако, была показана только с помощью стимуляции горизонтальным покачиванием. До сих пор неизвестно, однако, в действительности ли он помогает наладить сон напрямую или же делает это вторично, воздействуя на другие системы — например, зрения. Кроме того, до сих пор не было получено свидетельств о том, что убаюкать можно кого-то кроме людей: воспроизведение такого эффекта на модельных организмах, поэтому, является важным шагом для более глубокого понимания воздействия покачиваний на сон.
Этим решили заняться биологи под руководством Пола Франкена (Paul Franken) из Университета Лозанны. В качестве подопытных животных они выбрали мышей, в мозг которых вживили электроды для мониторинга активности. Спали мыши на горизонтально покачивающейся платформе со специальным механизмом, который позволял регулировать частоту движений: ученые испробовали покачивания с частотой 0,25, 0,5, 1 и 1,5 Герц (покачивания с более высокой частотой, как сообщают ученые, вызвали у животных дискомфорт).
Всего эксперимент с использованием покачиваний одной из четырех частот длился 96 часов, первые 48 часов экспериментальная платформа была статична. В последующие 12 часов светлого времени суток (так как мыши спят в основном днем) платформу раскачивали с определенной частотой, после чего оставляли ее статичной на оставшиеся 36 часов.
Ученые выяснили, что покачивания платформы с частотой 1 и 1,5 Герц значительно увеличило продолжительность фазы медленного сна на 48,4 и 85,5 минуты по сравнению с контрольным условием без покачивания соответственно.
Тем не менее, при покачивании с частотой 1,5 Герц фаза быстрого сна сократилась на 20 процентов, из-за чего мышам приходилось «досыпать» во время обычного для них периода бодрствования. Из-за этого ученые сделали вывод, что наиболее эффективным для сна мышей можно считать покачивания с частотой в 1 Герц — и далее решили сосредоточиться на них (для сравнения, оптимальная частота таких покачиваний для человека — 0,25 Герц).
Ученые снова отправили мышей спать, на этот раз дав им поспать четыре часа в спокойном состоянии. Затем участников разбудили и держали в состоянии бодрствования еще час, после чего следующие семь часов они спали либо на статичной платформе, либо на платформе, которая покачивалась с частотой в 1 Герц. С помощью этого ученые показали, что убаюкивание положительно влияет на сон мышей за счет уменьшения количества эпизодов бодрствования и того, что они быстрее засыпают. Последнее, в свою очередь, объяснили тем, что в периоды бодрствования активность мозга в тета-ритме (от 6 до 10 Герц) была смещена в сторону меньших показателей.
Наконец, для того, чтобы показать, что вестибулярный аппарат в действительности участвует в таком процессе регуляции сна, ученые вывели мышей, у которых были удалены отолиты. На таких мышей покачивания не действовали: у них не наблюдалось ни увеличение фазы медленного сна, ни уменьшение частоты просыпания, ни быстрое засыпание. Из этого ученые сделали вывод, что отолиты как часть вестибулярного аппарата животного играют ведущую роль в воздействии покачиваний на сон.
Сон — один из самых важных физиологических процессов для человека и других биологических видов. Успешное использование модельных организмов для изучения воздействия убаюкивания на качество сна, проведенное в новой работе, может помочь разработать и протестировать практики и медицинские препараты, которые помогают в борьбе и профилактике заболеваний, связанных с работой циркадных ритмов.
В том же номере журнала Current Biology опубликовано другое исследование с участием авторов работы: в нем ученые изучили, как убаюкивание влияет на сон взрослых людей. О нем вы можете прочитать в нашей заметке.
Елизавета Ивтушок
Ученые впервые вызвали партеногенез геномным редактированием
Генетики из американских и британских университетов обнаружили, какие гены отвечают за факультативный партеногенез у дрозофил. Они внесли точечные изменения в мушиные гены, влияющие на текучесть мембран (Desat2), образование центриолей (Polo) и скорость пролиферации (Myc). Мухи-самки из созданной генетической линии успешно вступали в половое размножение, но были при этом способны к партеногенезу как минимум на протяжении двух поколений. Исследование опубликовано в журнале Current Biology. Партеногенез — развитие живых организмов из неоплодотворенной яйцеклетки — широко распространен среди животных. На филогенетическом древе чисто партеногенетические виды нередко соседствуют с практикующими «обычное» половое размножение. Иногда и вовсе удается описать спорадические случаи появления партеногенеза у отдельных представителей непартеногенетических видов. Следовательно, генетическая подоплека партеногенеза может возникать быстро по эволюционным меркам и должна быть в этом случае относительно несложной. Но конкретные молекулярные механизмы партеногенеза часто остаются нерасшифрованными. У мух, неспособных к партеногенезу, яйцо приостанавливается на стадии метафазы I мейоза, а дальнейшее развитие (завершение деления, отделение полярных телец и дальнейшие митотические деления) продолжается лишь после оплодотворения. Но встречаются и факультативно партеногенетические линии, в которых партеногенетические потомки составляют от десятых долей до десяти процентов популяции. Доктор Алексис Сперлинг (Alexis L. Sperling) из Кембриджского Университета с коллегами из американских университетов Мемфиса и Калифорнийского технологического исследовала механизм возникновения факультативного партеногенеза у мух вида Drosophila mercatorum. Генетики отобрали и секвенировали геномы и транскриптомы факультативно и облигатно партеногенетических штаммов D. mercatorum и сопоставили их между собой. При партеногенезе была изменена экспрессия 44 генов, связанных в основном с формированием центриолей и регуляцией клеточного цикла. Несмотря на то, что предки D. mercatorum и более изученной D. melanogaster разошлись более 40 миллионов лет назад, данные сравнительной геномики позволяют воссоздавать на более известном модельном объекте изменения, обнаруженные в геноме менее известного. Ученые воссоздали у D. melanogaster выявленные изменения активности генов, прибегая к CRISPR-редактированию генома, дупликациям генов, введению в геном генов антисмысловых РНК или энхансерных последовательностей. Самый высокий уровень партеногенеза был зарегистрирован в группах трансгенных D. melanogaster, у которых была повышена активность генов Polo (регулятор образования центриолей) или Myc (регулятор клеточного цикла), либо понижена активность генов Slmb (убиквитиновая лигаза, способствующая деградации Myc) и Desat2 (фермент, синтезирующий ненасыщенные жирные кислоты и регулирующий текучесть мембран). У каждого третьего облигатно партеногенетического яйца D. mercatorum полярные тельца или женские пронуклеусы вступали в митотические деления, давая начало эмбрионам (такая же картина наблюдалась в каждом восьмом случае факультативно партеногенетических линий). Количество полярных телец, способных спонтанно вступать в митоз (и тем самым формировать эмбрион) повышалось при повышении активности генов Myc и Polo. При этом многие мухи из партеногенетических линий после целлюляризации становятся недиплоидными (чаще всего, триплоидными) из-за нарушения образования веретена деления. Ученые получили 21 тысячу мух-самок D. melanogaster, гомозиготных по мутантным аллелям генов Polo, Myc и Desat2, и содержали их в отсутствии самцов. В общей сложности самки дали 143 взрослых потомка (в среднем 0,7 потомка на 100 мух), а у тех, в свою очередь, появилось два партеногенетических взрослых потомка второго поколения (1,4 процента от численности предыдущего поколения). Таким образом, линия животных, способных к партеногенезу на протяжении нескольких поколений, была впервые получена при помощи геномного редактирования. На основании полученных данных авторы предполагают следующий механизм факультативного партеногенеза. Повышение текучести мембран (цитоплазматической и мембраны эндоплазматического ретикулума) влияет на формирование центра организации микротрубочек и, следовательно, веретена деления. Его образование упрощает вступление в митоз. Такие изменения могли стать эволюционно выгодным приобретением при расселении мух в более холодные регионы (повышение текучести мембран, связанное со снижением активности десатураз, улучшает выживаемость мух при низких температурах). Впрочем, детали возникновения партеногенетических линий мух пока не до конца изучены — судя по диспропорции между небольшими изменениями в геноме и выраженным транскриптомным изменениями, часть изменений у партеногенетических D. mercatorum может носить эпигенетический характер (важность эпигенома для партеногенеза ранее была показана в эксперименте на мышах). О медийной шумихе вокруг возможности партеногенеза у человека и о генетических предпосылках к нему читайте в нашем материале «Половинка себя».