Pourquoi les humains passent-ils un tiers de leur vie à dormir ? Pourquoi les animaux dorment-ils ? Tout au long de l’évolution, le sommeil est resté universel et essentiel pour tous les organismes dotés d’un système nerveux, y compris les invertébrés tels que les mouches, les vers et même les méduses. Pourquoi les animaux dorment malgré la menace continue des prédateurs et comment le sommeil profite au cerveau et aux cellules individuelles reste un mystère.
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Cellule moléculaire, Des chercheurs de l’Université Bar-Ilan d’Israël ont fait un pas en avant vers la résolution de ce mystère en découvrant un mécanisme de sommeil chez le poisson zèbre, avec des preuves à l’appui chez la souris.
L’étude a été dirigée par le professeur Lior Appelbaum, de la faculté des sciences de la vie Goodman de Bar-Ilan et du centre de recherche multidisciplinaire sur le cerveau de Gonda (Goldschmied), ainsi que par le chercheur postdoctoral Dr David Zada.
Lorsque nous sommes éveillés, la pression homéostatique du sommeil (fatigue) s’accumule dans le corps. Cette pression augmente plus nous restons éveillés et diminue pendant le sommeil, atteignant un minimum après une bonne nuit de sommeil.
Qu’est-ce qui fait augmenter la pression homéostatique à un point tel que nous sentons que nous devons nous endormir, et que se passe-t-il la nuit qui réduit cette pression à un point tel que nous sommes prêts à commencer une nouvelle journée ? Pendant les heures d’éveil, les dommages à l’ADN s’accumulent dans les neurones. Ces dommages peuvent être causés par divers éléments, notamment la lumière UV, l’activité neuronale, les radiations, le stress oxydatif et les erreurs enzymatiques. Pendant les heures de sommeil et d’éveil, les systèmes de réparation au sein de chaque cellule corrigent les cassures d’ADN. Cependant, les dommages à l’ADN dans les neurones continuent de s’accumuler pendant l’éveil, et des dommages excessifs à l’ADN dans le cerveau peuvent atteindre des niveaux dangereux qui doivent être réduits. L’étude a révélé qu’un système de réparation de l’ADN des recrues du sommeil favorise une réparation efficace afin que la journée puisse recommencer.
Dans une série d’expériences, les chercheurs ont cherché à déterminer si l’accumulation de dommages à l’ADN pourrait être le « moteur » qui déclenche la pression homéostatique et l’état de sommeil qui s’ensuit. En utilisant l’irradiation, la pharmacologie et l’optogénétique, ils ont induit des dommages à l’ADN chez le poisson zèbre pour examiner comment cela affecte leur sommeil. Avec leur transparence absolue, leur sommeil nocturne et un cerveau simple semblable à celui des humains, le poisson zèbre est un organisme parfait pour étudier ce phénomène.
À mesure que les dommages à l’ADN augmentaient, le besoin de sommeil augmentait également. L’expérience a suggéré qu’à un moment donné, l’accumulation de dommages à l’ADN a atteint un seuil maximal et a augmenté la pression de sommeil (homéostatique) à un point tel que l’envie de dormir a été déclenchée et que le poisson s’est endormi. Le sommeil qui a suivi a facilité la réparation de l’ADN, ce qui a entraîné une réduction des dommages à l’ADN.
Combien d’heures de sommeil sont suffisantes ?
Rien de tel qu’une bonne nuit de sommeil. Après avoir vérifié que les dommages accumulés à l’ADN sont la force qui alimente le processus de sommeil, les chercheurs étaient impatients de savoir s’il était possible de déterminer le temps minimum dont le poisson zèbre a besoin pour dormir afin de réduire la pression du sommeil et les dommages à l’ADN. Comme, comme les humains, le poisson zèbre est sensible à l’interruption de la lumière, la période d’obscurité a progressivement diminué pendant la nuit. Après avoir mesuré les dommages à l’ADN et le sommeil, il a été déterminé que six heures de sommeil par nuit suffisent pour réduire les dommages à l’ADN. Étonnamment, après moins de six heures de sommeil, les dommages à l’ADN n’ont pas été suffisamment réduits et le poisson zèbre a continué à dormir même pendant la journée.
PARP1 est une “antenne” qui peut signaler qu’il est temps de dormir
Quel est le mécanisme dans le cerveau qui nous dit que nous devons dormir afin de faciliter une réparation efficace de l’ADN ? La protéine PARP1, qui fait partie du système de réparation des dommages à l’ADN, est l’une des premières à réagir rapidement. PARP1 marque les sites de dommages à l’ADN dans les cellules et recrute tous les systèmes pertinents pour éliminer les dommages à l’ADN. Conformément aux dommages à l’ADN, le regroupement de PARP1 dans les sites de rupture d’ADN augmente pendant l’éveil et diminue pendant le sommeil. Grâce à des manipulations génétiques et pharmacologiques, la surexpression et le knockdown de PARP1 ont révélé non seulement que l’augmentation de PARP1 favorisait le sommeil, mais qu’elle augmentait également la réparation dépendante du sommeil. À l’inverse, l’inhibition de PARP1 a bloqué le signal de réparation des dommages à l’ADN. En conséquence, les poissons n’étaient pas pleinement conscients qu’ils étaient fatigués, ne s’endormaient pas et aucune réparation des dommages à l’ADN ne s’était produite.
Pour renforcer les découvertes sur le poisson zèbre, le rôle de PARP1 dans la régulation du sommeil a été davantage testé sur des souris, en utilisant l’EEG, en collaboration avec le professeur Yuval Nir de l’Université de Tel Aviv. Tout comme avec le poisson zèbre, l’inhibition de l’activité PARP1 a réduit la durée et la qualité du sommeil à mouvements oculaires non rapides (NREM). “Les voies PARP1 sont capables de signaler au cerveau qu’il a besoin de dormir pour que la réparation de l’ADN se produise”, explique le professeur Appelbaum.
Résoudre l’énigme
Dans une étude précédente, le professeur Appelbaum et son équipe ont utilisé l’imagerie time-lapse 3D pour déterminer que le sommeil augmente la dynamique des chromosomes. En ajoutant la pièce actuelle au puzzle, PARP1 augmente le sommeil et la dynamique chromosomique, ce qui facilite la réparation efficace des dommages à l’ADN accumulés pendant les heures d’éveil. Le processus de maintenance de l’ADN peut ne pas être suffisamment efficace pendant les heures d’éveil dans les neurones et nécessite donc une période de sommeil hors ligne avec une entrée réduite au cerveau pour se produire.
Ces dernières découvertes fournissent une description détaillée de la “chaîne d’événements” expliquant le sommeil au niveau unicellulaire. Ce mécanisme pourrait expliquer le lien entre les troubles du sommeil, le vieillissement et les troubles neurodégénératifs, comme la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. Le professeur Appelbaum pense que les recherches futures aideront à appliquer cette fonction du sommeil à d’autres animaux allant des invertébrés inférieurs aux humains, éventuellement.
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