Высокобелковое питание обеспечило дрозофил и мышей крепким сном

Американские нейробиологи обнаружили, что пища, богатая белком, снижает у плодовых мух и мышей пробуждаемость от сна под действием легких механических раздражителей. Механизм этого оказался связан с секрецией в кишечнике нейропептида CCHa1, который действует на дофаминергические нейроны мозга, модулируя реакцию на внешние стимулы. Публикация об этом появилась в журнале Cell.

Сон появился в процессе эволюции животных весьма рано, и его основные характеристики схожи у разных биологических видов. Для здоровья важны как количество, так и качество сна, причем последнее зависит от времени его наступления, продолжительности засыпания, частоты и длительности пробуждений, а также глубины. Глубокий сон, обладающий максимально тонизирующими свойствами, требует наибольшего подавления органов чувств. Люди, которые легко просыпаются от небольших раздражителей, зачастую чувствуют сонливость и разбитость даже после сна достаточной общей продолжительности. При этом физиологические механизмы, по которым во время сна подавляется пробуждаемость, изучены крайне мало.

Учитывая, что характеристики сна в значительной степени зависят от генетических особенностей, сотрудники Гарвардского университета под руководством Драганы Рогульи (Dragana Rogulja) начали работу со скрининга пробуждаемости плодовых мух рода Drosophila. Для этого использовали автоматизированную систему, которая через случайные интервалы подает спящему насекомому двухсекундные вибрации и регистрирует двигательную активность. Найдя интенсивность раздражителя, которая пробуждает большинство (примерно 95 процентов) или меньшинство (примерно 20 процентов) дрозофил, исследователи разделили насекомых по этому принципу и провели поиск различий между ними путем скрининга приблизительно 3400 генов, активных в нейронах. Найденные таким образом гены выполняли большое число разнообразных функций, что отражает сложность изменений в организме во время сна.

Среди легко пробуждавшихся мух часто встречались нерабочие гены нейропептида CCHa1 или его рецептора CCHa1R — примерно 85 процентов их носителей просыпались под действием минимальной стимуляции. CCHa1 у дрозофил регулирует циркадианные ритмы и реакции на обонятельные стимулы. У млекопитающих его рецептору гомологичен рецептор к гастрин-рилизинг пептиду, который участвует в регуляции социальных взаимодействий, консолидации пугающих воспоминаний, циркадианных ритмов, дыхания, потребления пищи и чувства зуда.

Проведенный авторами работы нокаут CCHa1 или CCHa1R вызывал у мух высокую пробуждаемость, замедленное засыпание и усиленную фрагментацию сна, но не снижение его общей продолжительности. Дальнейшие эксперименты с помощью РНК-интерференции показали, что значимым источником CCHa1 для регуляции сна служат эндокринные клетки кишечника, причем на потребление и переваривание пищи этот нейропептид не влияет. Термогенетическая активация таких энтероэндокринных клеток подавляла возбудимость как спящих, так и бодрствующих насекомых.

Учитывая то, что сигнал CCHa1 исходит из кишечника, исследователи проверили, влияют ли на него пищевые стимулы. Для этого они обогащали корм дрозофил простыми сахарами, жирами или частично гидролизованной белковой смесью со схожими калорийностями и анализировали активацию продуцирующих CCHa1 энтероэндокринных клеток с помощью инструмента CaLexA. Оказалось, что ее повышает только высокобелковая пища (но не отдельные аминокислоты). Дальнейшие опыты показали, что после 24 часов потребления обогащенного белками корма от раздражителя средней интенсивности просыпалось вдвое меньше мух, чем при обычном питании.

После этого авторы работы проверили, воспроизводится ли подобный эффект у млекопитающих. Для этого они использовали аналогичную экспериментальную установку у мышей, дополнительно регистрируя пробуждения с помощью электроэнцефало- и электромиографии. После пяти дней на высокобелковой пище у животных значительно снизилась пробуждаемость от раздражителей и удлинились интервалы между естественными пробуждениями, а также повысилась общая продолжительность фазы быстрого сна.

В поисках механизма действия CCHa1 исследователи вернулись к дрозофилам. Последовательно выключая ген рецептора к нему в разных популяциях клеток мозга, они выяснили, что на пробуждаемость оно влияет только в дофаминергических нейронах протоцеребрального переднего медиального кластера. Эксперименты с РНК-интерференцией подтвердили эти данные и уточнили, что основной мишенью для CCHa1 при регуляции сна служит субпопуляция PAM^MB441B этого дофаминергического кластера. При обогащении пищи мух белком наблюдалась повышенная активация этих нейронов, чего не происходило при выключении в них CCHa1R.

Дополнительные эксперименты показали, что CCHa1, будучи мощным модулятором реакции на вибрационные раздражители во сне, не влияет на действие повышенной температуры. Это значит, что обработка механосенсорной и термальной (а возможно, и других видов) информации во сне идет независимыми друг от друга путями. По данным авторов работы, за интеграцию регуляции пробудимости и общей продолжительности сна могут отвечать выходные нейроны грибовидных тел, в частности их субпопуляция MBON^MB083C, но не исключено, что не только она.

В 2019 году американские исследователи выяснили, что быстрому засыпанию и крепкому сну у дрозофил способствует белок NEMURI, который также отвечает за защиту от бактериальных инфекций. Тремя годами ранее их соотечественники показали, что тяга людей к нездоровой пище при недосыпе связана с повышением уровня эндоканнабиноидов в крови.