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2025年7月16日最新發(fā)表在頂級期刊《Nature》雜志上的研究揭示，睡眠的本質(zhì)可能是細(xì)胞“發(fā)電廠”線粒體的“維修時(shí)間”。當(dāng)線粒體功能異常，睡眠壓力就會(huì)如潮水般涌來;而睡眠，正是線粒體修復(fù)損傷、重獲活力的關(guān)鍵過程。本期小編就帶您詳細(xì)解析這篇高質(zhì)量研究。
一、“細(xì)胞發(fā)電廠” 的困境：線粒體為何與睡眠綁定?
在我們的細(xì)胞里，線粒體就像一座微型發(fā)電廠，通過有氧代謝將食物中的能量轉(zhuǎn)化為 ATP(細(xì)胞的 “能量貨幣”)，支撐著生命活動(dòng)的每一個(gè)瞬間。這個(gè)過程的核心是電子傳遞鏈—— 一系列蛋白復(fù)合體像接力賽一樣傳遞電子，最終將氧氣轉(zhuǎn)化為水，同時(shí)產(chǎn)生 ATP。
但這座“發(fā)電廠”并非永遠(yuǎn)穩(wěn)定。當(dāng)我們清醒時(shí)，大腦神經(jīng)元處于活躍狀態(tài)，線粒體的電子傳遞需求激增。研究以果蠅為模型發(fā)現(xiàn)，大腦中有一種專門調(diào)控睡眠的神經(jīng)元 —— 背扇形體投射神經(jīng)元(dFBNs)，它們對線粒體的“疲憊”格外敏感。
清醒時(shí)間越長，dFBNs 的線粒體就越容易陷入困境：電子傳遞鏈中，電子的“供應(yīng)”超過了 ATP 合成的 “需求”，多余的電子會(huì)泄漏出來，與氧氣結(jié)合產(chǎn)生活性氧(ROS)。這些 ROS 就像“電火花”，會(huì)損傷線粒體膜上的脂質(zhì)，破壞線粒體結(jié)構(gòu)。為了應(yīng)對這種損傷，線粒體開始“自我拆解”—— 原本完整的線粒體分裂成碎片，這是一種緊急應(yīng)激反應(yīng)，就像工廠出故障時(shí)先停機(jī)拆解零件。
與此同時(shí)，dFBNs 的基因表達(dá)也發(fā)生了顯著變化：與線粒體呼吸、ATP 合成相關(guān)的基因被強(qiáng)烈激活，仿佛在緊急招募“維修人員”;而與突觸傳遞相關(guān)的基因則被抑制，就像暫時(shí)關(guān)閉非必要功能，集中資源應(yīng)對危機(jī)。這種基因表達(dá)的“傾斜”，是睡眠壓力上升的分子信號。
圖線粒體功能異常(如ATP 供需失衡、ROS 積累)驅(qū)動(dòng)睡眠壓力
二、睡眠：線粒體的“維修與重啟”程序
當(dāng)線粒體的“困境信號” 積累到一定程度，我們就會(huì)感到難以抗拒的睡意 —— 這其實(shí)是身體在提醒：該給線粒體“檢修”了。研究發(fā)現(xiàn)，睡眠正是線粒體修復(fù)損傷、恢復(fù)功能的關(guān)鍵過程，主要通過三個(gè)步驟完成：
1. 清理受損部件：線粒體自噬激活
睡眠剝奪后，dFBNs 中會(huì)出現(xiàn)大量碎片化的線粒體，其中不乏受損嚴(yán)重的“廢件”。睡眠期間，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)線粒體自噬(mitophagy)機(jī)制，清理受損線粒體，就像給工廠配備了 “垃圾清運(yùn)車”。研究通過熒光標(biāo)記觀察到，睡眠剝奪后 dFBNs 的線粒體自噬水平顯著升高，而經(jīng)過恢復(fù)睡眠后，這些受損線粒體被大量清除。
2. 重建完整結(jié)構(gòu)：線粒體融合修復(fù)
清理完“廢件”后，線粒體需要重新組裝成完整、高效的“發(fā)電單元”。睡眠期間，線粒體的融合機(jī)制被激活：原本碎片化的線粒體通過融合蛋白(如 Opa1、Marf)重新連接，恢復(fù)體積和分支結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)顯示，恢復(fù)睡眠后，dFBNs 的線粒體體積、分支長度會(huì)反彈至正常水平以上，甚至比清醒時(shí)更“強(qiáng)壯”。
3. 平衡能量代謝：電子傳遞鏈重置
睡眠的核心作用，是解決清醒時(shí)積累的“電子供需失衡”。清醒時(shí)，dFBNs 因神經(jīng)元受抑制而消耗 ATP 減少，導(dǎo)致電子傳遞鏈中電子“堆積”;而睡眠時(shí)，dFBNs 的神經(jīng)元興奮性恢復(fù)，ATP 消耗增加，電子傳遞鏈重新達(dá)到平衡，減少 ROS 產(chǎn)生。研究證實(shí)，只要打破這種失衡，即使不睡覺，線粒體的損傷也會(huì)減輕，睡眠壓力也會(huì)隨之緩解。
三、操控線粒體，就能控制睡眠?
為了驗(yàn)證線粒體與睡眠的直接關(guān)聯(lián)，研究人員做了一系列“線粒體手術(shù)”：
促進(jìn)線粒體裂變：通過過表達(dá)裂變蛋白 Drp1，讓 dFBNs 的線粒體持續(xù)處于碎片化狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，果蠅的睡眠時(shí)間顯著減少，即使被強(qiáng)制熬夜，也不會(huì)出現(xiàn)睡眠反彈(即“補(bǔ)覺”行為)。
促進(jìn)線粒體融合：反之，通過敲低 Drp1 或過表達(dá)融合蛋白 Opa1，讓線粒體保持“完整狀態(tài)”，果蠅的睡眠需求明顯增加，覺醒閾值升高(更難被叫醒)。
修復(fù)電子傳遞鏈：當(dāng)給線粒體安裝“電子安全閥”，多余的電子可以被安全消耗，減少 ROS 產(chǎn)生。這時(shí)，即使睡眠被剝奪，線粒體碎片化也會(huì)減輕，果蠅的睡眠壓力顯著降低。
這些實(shí)驗(yàn)清晰地證明：線粒體的形態(tài)和功能狀態(tài)，直接決定了睡眠的需求和時(shí)長。當(dāng)線粒體“健康”，睡眠壓力就小;當(dāng)線粒體“受損”，就必須通過睡眠來修復(fù) —— 這正是“睡眠壓力的線粒體起源”的核心邏輯。
圖2線粒體形態(tài)異常是睡眠壓力產(chǎn)生的關(guān)鍵中間步驟
四、基于3個(gè)核心機(jī)制，如何幫線粒體“減負(fù)”?
既然線粒體健康與睡眠質(zhì)量息息相關(guān)，那我們能否通過營養(yǎng)手段呵護(hù)線粒體，讓它少“喊累”?近年來的研究發(fā)現(xiàn)，一些天然成分能針對性改善線粒體功能，或許能成為睡眠的“好幫手”。
1. 尿石素 A：給線粒體 “大掃除”
尿石素A的核心作用是促進(jìn)線粒體自噬，研究顯示，尿石素A能激活細(xì)胞清理受損線粒體的機(jī)制，減少碎片化線粒體的積累。對于睡眠不足的人來說，補(bǔ)充尿石素A可能幫助減輕線粒體損傷，緩解睡眠壓力帶來的疲勞感。這與果蠅實(shí)驗(yàn)中“恢復(fù)睡眠激活線粒體自噬” 的機(jī)制不謀而合。
2. PQQ(吡咯喹啉醌)：催生 “新發(fā)電廠”
PQQ的核心作用是刺激線粒體的生物合成。PQQ 可以通過激活相關(guān)基因讓細(xì)胞“建造新工廠”，增加新線粒體數(shù)量。這與果蠅 dFBNs 在睡眠中“線粒體基因上調(diào)、修復(fù)形態(tài)” 的過程類似，能從根源上增強(qiáng)線粒體的“發(fā)電能力”。
3. 輔酶Q10：穩(wěn)定 “電子傳遞鏈”
輔酶Q10是線粒體電子傳遞鏈中不可或缺的“電子載體”，就像傳遞能量的“傳送帶”。在果蠅實(shí)驗(yàn)中，電子傳遞鏈?zhǔn)Ш馐撬邏毫Φ暮诵恼T因;而輔酶 Q10 能增強(qiáng)電子傳遞效率，減輕線粒體損傷。對于因線粒體功能下降導(dǎo)致的睡眠問題(如老年人入睡困難)，補(bǔ)充輔酶Q10可通過穩(wěn)定電子傳遞鏈，降低睡眠壓力。
五、睡眠：有氧代謝的“必然代價(jià)”
從果蠅到人類，有氧代謝為生命提供了高效能量，但也埋下了“隱患”—— 電子傳遞鏈的失衡和線粒體損傷，是有氧生物無法避免的代價(jià)。研究指出，睡眠與衰老類似，都是有氧代謝的“必然結(jié)果”：就像機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)久了需要保養(yǎng)，線粒體在日復(fù)一日的“發(fā)電”中積累損傷，也需要保養(yǎng)。而好好睡覺，給線粒體足夠的修復(fù)時(shí)間，或許就是最簡單也最有效的健康投資。畢竟，細(xì)胞深處的線粒體健康了，我們的生命活力才能如源源不斷的電流，支撐起每一個(gè)清醒的日子。
參考文獻(xiàn)：Raffaele Sarnataro, Cecilia D. Velasco, et al. Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature (2025)
（責(zé)任編輯：華康）
