Дрозофилы выжили практически без сна
Британские исследователи опровергли критическую необходимость сна для плодовой мушки дрозофилы фруктовой (Drosophila melanogaster). Согласно статье, опубликованной в журнале Science, система компьютерного зрения, которая следит за микродвижениями мушек, помогла найти особей, которые обходятся всего несколькими минутами сна в сутки. Кроме того, оказалось, что уменьшение периода сна на более чем 95 процентов не понизило шансы мушек на выживание по сравнению с контрольной группой.
Сон считается жизненно важным для всех видов с центральной нервной системой, до сих пор ученым не удавалось обнаружить вид, который бы мог выжить без сна вообще. Изучить влияние длительной депривации сна на выживаемость уже пытались на примере тараканов, голубей, крыс и других животных. Почти все исследования заканчивались гибелью животных; тем не менее, следует учесть, что процедуры, с помощью которых им не давали заснуть, чаще всего вводили их в состояние стресса. Именно поэтому непонятно, что именно послужило решающим фактором в снижении выживаемости: недостаток сна или же воздействие процедуры, поддерживающей состояние бодрствования.
Разумеется, «отключить» потребность во сне у животных можно с помощью генетических манипуляций, но такие процедуры также не могут объяснить, как депривация сна сама по себе влияет на организм и может ли она у какого-либо вида не приводить к смерти.
Ответить на этот вопрос на примере дрозофил решили ученые из Имперского колледжа Лондона под руководством Квентина Гайссмaнна (Quentin Geissmann). Распорядок дня дрозофил во многом похож на человеческий: они питаются и передвигаются только днем, а ночью спят — долгое время находятся без движения, не реагируя на внешние стимулы. Вырастив 881 самку и 485 самцов в стандартном световом цикле (12 часов света и 12 часов темноты), ученые начали следить за их поведением во время ночного отдыха с помощью алгоритмов компьютерного зрения, которые, помимо стандартных движений, способны регистрировать и микродвижения, незаметные стороннему наблюдателю (например, потирание лапок или легкие взмахи крыльями).
Ученые выяснили, что в среднем самцы спят около 10 часов и 18 минут в день, а самки — чуть менее пяти часов. Распределение индивидуальных паттернов сна показало, что около половины самок спали на 20 процентов меньше среднего времени, а некоторые самки спали всего чуть больше часа в сутки. Кроме того, три особи спали по 15, 14 и 4 минуты соответственно.
Для того, чтобы проверить, как длительная депривация сна влияет на выживаемость мушек (средняя продолжительность жизни — около полутора месяцев), их поместили в специальную вращающуюся трубу, к которой была подключена система, следящая за их движениями. В случае, если система обнаруживала отсутствие движения в течение 20 секунд, труба начинала вращаться, тем самым пробуждая насекомое.
Самцы дрозофил, которых в течение их жизни постоянно лишали сна, в среднем жили столько же, сколько и дрозофилы из контрольной группы. Значимый эффект депривации сна на продолжительность жизни, однако, наблюдался у самок: в среднем они проживали на 3,5 дня меньше. При этом даже при отсутствии сна мушки все равно оставались активными в течение дня, из чего ученые сделали вывод, что их циркадные ритмы остались рабочими.
Вывод, к которому ученые пришли в своей работе, заключается в том, что дрозофилам, по-видимому, сон не так нужен, а значит, сам по себе сон может и не играть такой биологически важной для выживания роли, как, например, получение энергии из питания. Исследователи заключают, что сам по себе сон не несет эволюционно и биологически необходимой функции для выживания, но скорее является совокупностью таких функций, помогая виду не просто выживать, но эффективно жить, питаясь и размножаясь.
Тем не менее, они уточняют, что отсутствие необходимости во сне они экспериментально доказали только в лабораторных условиях: известно, что депривация сна вызывает замедление работы когнитивных функций, из-за чего в природе их выживаемость может значительно снизиться. Авторы также уточняют, что мушки все же могли спать в те 20 секунд, в которые им позволяли не двигаться: такие микропериоды сна, однако, все еще значительно меньше их привычного объема ночного отдыха. Также интересен половой диморфизм: при том, что самки в принципе спали меньше самцов, для их продолжительности жизни сон оказался, пусть и немного, но важным, судя по всему, из-за дополнительной необходимости откладывать яйца.
Циклы сна и бодрствования достаточно индивидуальны для разных видов, но у всех регулируются циркадными ритмами. За изучение циркадных ритмов в 2017 году американские ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, а исследования проводили как раз на дрозофилах. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале «Ход часов лишь однозвучный».
Елизавета Ивтушок
Причина оказалась в реакции на воспаление
Неврологи из Национального института здоровья США описали патогенез синдрома хронической усталости у пациентки, болевшей раком молочной железы и волчанкой. У нее обнаружили повышенную активность белка WASF3, мешающего сборке и скоординированной работе электрон-транспортной цепи митохондрий. Гиперактивация WASF3 возникла в ответ на системное воспаление, в результате снизилась эффективность тканевого дыхания, а вместе с ней и переносимость физической нагрузки. Наблюдение опубликовано в журнале Proceedings of the National academy of sciences. Центральное место в возникновении миалгического энцефаломиелита-синдрома хронической усталости занимает ответ организма на воспаление. Часто синдром связан с повышением уровня провоспалительных цитокинов, а проявления включают не только слабость и повышенную утомляемость, но и такие физические симптомы и молекулярные проявления, как снижение аэробных возможностей организма и изменение липидного обмена лимфоцитов. Патогенез синдрома пока не расшифрован до конца: лишь часть случаев синдрома хронической усталости удается объяснить последствием инфекций, а популяционно-генетические исследования плохо справляются с объяснением, почему у одних людей возникает синдром хронической усталости или похожий по проявлениям синдром поствирусной усталости, а у других — нет. Неврологи из Американского национального института здоровья под руководством Пола Хвана (Paul M. Hwang) обнаружили еще один механизм возникновения синдрома хронической усталости, обследуя пациентку с синдромом Ли-Фраумени. Это наследственное заболевание вызвано мутацией в антионкогене TP53 и проявляется злокачественными опухолями начиная с молодого возраста. У 38-летней женщины, перенесшей две опухоли молочной железы и болеющей системной красной волчанкой, с 16 лет регулярно возникали боли в мышцах ног после неинтенсивных физических нагрузок, а обследование у неврологов и ревматологов не позволило обнаружить причину симптомов. Пациентка была направлена в центр, занимающийся изучением митохондриальных заболеваний — ведь митохондриальные дисфункции часто сопровождаются мышечными симптомами, а белок p53 влияет напрямую на митохондрии. Ученые обнаружили, что у пациентки примерно в два раза снижена скорость восстановления мышечных запасов креатинфосфата и активность IV комплекса дыхательной цепи митохондрий. Причем снижены не только в сравнении со здоровыми людьми, но и в сравнении с родным братом пациентки, носителем той же мутации в TP53, не болевшим опухолями или аутоиммунными заболеваниями. В мышечных клетках у сестры было больше активной (фосфорилированной) формы белка p53, чем у брата, а причиной тому, как выяснили ученые, является повышенная активность белка WASF3. Функции этого внутриклеточного белка касаются ремоделирования цитоскелета и регуляции синтеза АТФ в митохондриях, но через цепочку посредников белок влияет и на активность p53. Ученые создали несколько линий мышей с гиперактивированным или выключенным WASF3 и выяснили, что WASF3 нарушает организацию III и IV комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий на мембране и ускоряет деградацию IV (цитохром с-оксидазного) комплекса. Эффективность работы дыхательной цепи максимальна, когда два комплекса находятся в непосредственной близости друг от друга в соотношении 2:1, а нарушение пропорции снижает КПД клеточного дыхания. Мыши с несколькими копиями WASF3 показывали более низкие результаты в беговых упражнениях. У пациентки же повышение активности WASF3 было связано с посттрансляционными модификациями белка, но не имело геномной подоплеки и не сопровождалось изменениями транскриптома клеток. Нарушения энергетического обмена в клетках иммунной и нервной системы при синдроме хронической усталости были известны и раньше, но находка американских врачей подчеркивает, что данные отдельно геномики или протеомики не всегда эффективны в расшифровки патогенеза болезней, в которых тесно переплетены геномные факторы и ответ на действие внешней среды. Изучению патогенеза синдрома хронической усталости во многом поспособствовал постковидный синдром, имеющий похожие звенья патогенеза и клиническую картину. Но мы рассказывали и о других факторах, ухудшающих работу мышц — в частности, о том, как прием антигистаминных препаратов снижает тренируемость.