Потребность в сне связана с метаболизмом митохондрий

Потребность организма в сне все еще не имеет четкого объяснения. Хотя описано множество физиологических изменений, происходящих в организме при продолжительном бодрствовании, определить, какие из них являются причиной, а какие — следствием потребности в сне, оказалось крайне сложно. В новой работе ученые из Великобритании представили данные о ключевой роли митохондрий в формировании физиологической потребности в сне.

Авторы провели РНК-секвенирование отдельных нейронов мозга дрозофил. В частности, нейронов дорсального вееровидного тела (dorsal fan-shaped body neurons; dFBN) для которых показана роль в контроле сна. Нужная популяция нейронов была идентифицирована по экспрессии зеленого флуоресцентного белка под действием генетического драйвера R23E10-GAL4, специфичного для этих нейронов. Были выявлены 122 транскрипта, уровень которых значимо изменился в dFBN после 12-часового периода без сна. Все эти транскрипты относились к генам, связанным с митохондриальным метаболизмом и синаптической передачей сигналов.

Ранее ученые уже выдвигали митохондриальную теорию потребности в сне. В частности, говорилось о связи с нарушением баланса потока электронов в цепи синтеза АТФ — при большом потоке электронов (высокое соотношение NADH к NAD⁺) и низкой потребности в них (высокое соотношение АТФ к АДФ) митохондриальные «депо» электронов (роль которого исполняет кофермент Q) переполняются и «лишние» электроны приводят к формированию активных форм кислорода, что ведет к негативным последствиям для клетки. Особенности физиологии dFBN делают их склонными к более выраженному переполнению электронов, чем другие нейроны, так что они выступают своеобразным «предохранителем», защищающим организм от более значительных повреждений. В пользу этой теории говорит то, что добавление в митохондрии dFBN альтернативной оксидазы, способной «утилизировать» лишние электроны, синтезируя воду, снимало потребность в сне.

В новой работе британские ученые несколькими методами электронной микроскопии показали, что долгое отсутствие сна приводит к фрагментации митохондрий dFBN. Это является первым этапом двух процессов — формирования новых митохондрий в местах их контакта с эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР) и митофагии (фагоцитоза фрагментов митохондрий). Исследователи обнаружили признаки обоих процессов — увеличение точек контакта митохондрий с ЭПР и числа лизосом, содержащих фрагменты митохондрий. Более того, включение в митохондрии альтернативной оксидазы препятствовало их фрагментации.

Чтобы более полно описать связь физиологической динамики митохондрий с недосыпом, авторы воздействовали на функцию нескольких ключевых ферментов. Они искусственно запускали фрагментацию митохондрий dFBN или препятствовали ей. Оказалось, что индукция фрагментации митохондрий снижает потребность в сне, в то время как блокировка фрагментации, наоборот, повышала «сонливость» плодовых мушек. При этом в других популяциях нейронов таких закономерностей не наблюдалось.

Таким образом, работа показала, что физиологические процессы в митохондриях определенных популяций нейронов тесно связаны с формирование потребности в сне. Полученные результаты подтверждают предположение, что сон является последствием аэробного метаболизма.

Дрозофилы с врожденной бессонницей лучше обучаются, но меньше живут