《Nature Communications》：DNA damage modulates sleep drive in basal cnidarians with divergent chronotypes
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本研究针对睡眠在基础动物谱系中的进化起源这一核心科学问题，通过行为学标准首次在共生性昼行性倒立水母（Cassiopea andromeda）和非共生性晨昏性星海葵（Nematostella vectensis）中定义了睡眠架构。研究发现光周期与稳态压力是C. andromeda睡眠的主要调节因素，而生物钟与稳态过程共同调控N. vectensis的睡眠。关键发现是，两种生物均表现出约占总时长三分之一的睡眠，且睡眠能够缓解神经元DNA损伤，而睡眠剥夺、紫外线辐射和诱变剂则会增加DNA损伤并增强睡眠压力。该成果揭示了睡眠在维持简单神经网络基因组稳定性中的古老功能，为理解睡眠的进化提供了重要线索。
睡眠是一种从刺胞动物到人类、在所有拥有神经系统的动物中均保守存在的行为状态。然而，考虑到睡眠带来的生存风险（如环境警觉度降低和易被捕食），睡眠为何在基础动物谱系中演化出来，以及它为夜行性和昼行性无脊椎动物的简单神经网提供了哪些不可或缺的益处，这些问题仍然悬而未解。以往研究表明，睡眠在维持基因组完整性方面扮演关键角色，它能减少在清醒期间于果蝇、鱼类和小鼠神经元中积累的DNA损伤。DNA损伤的原因多样，包括太阳紫外线（UV）辐射、活性氧（ROS）的作用、核酶的 inadvertent 活动以及神经元活动本身。不分裂且不可替代的成熟可兴奋神经元可能对睡眠缺失尤为敏感。这类细胞在基础后生动物中进化出现，并可能需依赖睡眠来促进细胞维护。近期，在两种昼行性刺胞动物——倒立水母（Cassiopea）和普通水螅（Hydra vulgaris）中观察到了睡眠样行为，这暗示着刺胞动物简单神经网的发展可能与睡眠的出现同步。
为了剖析动物睡眠的起源及其核心细胞驱动因素，研究人员在《Nature Communications》上发表了最新研究，聚焦于两种刺胞动物：与光合甲藻共生、昼行性的倒立水母（Cassiopea andromeda, C. andromeda）以及无非共生真核生物、被认为夜行性的星海葵（Nematostella vectensis, N. vectensis）。研究旨在定义它们的睡眠架构，并探究驱动睡眠进化的机制。
关键技术方法概述
研究主要运用了行为学追踪与分析技术，通过红外摄像在受控光周期（LD）、恒定黑暗（DD）及强制去同步（LDLD）条件下，长时间监测水母的脉冲频率和海葵的运动静止。通过给予光、食物等刺激并结合优化算法，确定了区分睡眠与清醒的觉醒阈值。利用免疫组织化学方法，使用针对磷酸化组蛋白H2AX（γH2AX）的抗体，在C. andromeda的视叶周围组织神经元富集区以及转基因tg(-2.4NvElav1b:mOrangeCAAX) N. vectensis的mOrangeCAAX阳性神经元中，量化了DNA损伤标志物γH2AX焦点数以评估DNA损伤水平。此外，还进行了睡眠剥夺（SD）、紫外线（UVB）辐射、诱变剂Etoposide以及褪黑素（Melatonin）处理等干预实验，以研究睡眠压力、DNA损伤与睡眠之间的因果关系。部分C. andromeda的行为数据来自其自然栖息地（美国佛罗里达州基拉戈海域）的野外观察。
研究结果
C. andromeda在受控条件及自然栖息地下的睡眠特征
研究发现，C. andromeda在12小时光照：12小时黑暗（LD）条件下，夜间运动（脉冲）活动减少，符合其昼行性。通过觉醒阈值实验，确定将脉冲频率低于37次/分钟且持续超过3分钟的状态定义为睡眠。
应用此标准显示，C. andromeda在LD下的夜间睡眠时间（63.7%）显著高于白天（45.3%），并观察到类似灵长类和苍蝇的中午小睡现象。在恒定黑暗（DD）下，节律性运动活动消失，在恒定光照（LL）下显著减弱，在强制去同步（LDLD）下呈现12.1小时节律，表明其睡眠主要受光暗周期驱动。夜间睡眠剥夺（ZT17-ZT23）引发了白天的睡眠反弹，而白天睡眠剥夺（ZT5-11）则无此效应，证实了稳态调节的存在。在自然栖息地的研究进一步验证了实验室得出的睡眠标准，野生Cassiopea同样表现出夜间主要睡眠和中午小睡的模式。
晨昏性N. vectensis睡眠的昼夜节律和稳态控制
研究首次在海葵中定义了睡眠状态。通过监测运动并设定静止阈值，将持续至少8分钟的静止状态（伴随可逆行为和觉醒阈值升高）定义为N. vectensis的睡眠。
N. vectensis在LD下表现出节律性运动活动，在ZT6-ZT18期间活动增加，在ZT18-ZT6期间减少，表明其为晨昏性动物。睡眠在LD和DD下均呈现约24小时和22.5小时的节律周期，说明受昼夜节律钟调控。NvClk突变体（NvClk
A/A）在LD下睡眠/觉醒节律紊乱，在DD下节律消失，在LDLD下跟随6小时光暗交替节律，证明NvClk转录因子对维持时钟控制的睡眠至关重要。触手闭合姿态与更多睡眠时间相关，但非绝对睡眠指标。睡眠期（ZT20-ZT4）的睡眠剥夺引发了睡眠反弹，而活动期（ZT8-ZT16）的剥夺则无，表明睡眠受稳态过程调节。综上，N. vectensis的睡眠主要由昼夜节律和稳态过程共同调控，光也可调制。
种间睡眠架构比较揭示褪黑素整合睡眠独立于动物昼夜节律型
比较两种刺胞动物的睡眠架构发现，尽管睡眠时间分布不同，但C. andromeda、WT N. vectensis和NvClk
A/AN. vectensis在24小时内的总睡眠时间相似，均约占三分之一。N. vectensis的睡眠片段更长、更不碎片化，而C. andromeda的睡眠片段更短、更频繁。褪黑素处理在两种动物的各自活动期（N. vectensis的ZT13和C. andromeda的ZT3）均能促进睡眠，增加睡眠时间和片段数量及长度，而在休息期处理则无显著影响。
这表明褪黑素对睡眠的促进作用在进化上保守，且独立于动物的昼夜节律型。
睡眠缓解昼行性和晨昏性刺胞动物中DNA损伤的积累
研究监测了睡眠/觉醒周期及睡眠剥夺后两种动物单细胞水平的DNA损伤。在各自清醒期结束时（C. andromeda的ZT11，N. vectensis的ZT17），神经元中γH2AX焦点数增加，而在睡眠期结束时（C. andromeda的ZT23，N. vectensis的ZT8）减少。睡眠剥夺（C. andromeda在ZT17-ZT23，N. vectensis在ZT20-ZT4）后，γH2AX焦点数在睡眠期结束时显著增加，并在随后的睡眠恢复后降至基线水平。
这些结果证明，DNA损伤在清醒期间积累，在睡眠期间减少，且这种关系在具有不同昼夜节律型的刺胞动物中保守。
DNA损伤增加C. andromeda和N. vectensis的睡眠压力
研究进一步探讨了DNA损伤是否驱动睡眠。紫外线（UVB）辐射（一种强效DNA损伤剂）处理在两种动物中均迅速诱导了DNA损伤（γH2AX焦点数增加），并随后增加了夜间（C. andromeda）或白天（N. vectensis）的睡眠时间。使用诱变剂Etoposide（通过稳定DNA双链断裂诱导损伤）处理N. vectensis，同样观察到DNA损伤增加和随后的睡眠促进。此外，在活动期施用褪黑素（已被证明能促进睡眠）后，两种动物中的DNA损伤水平均有所降低。
这些结果揭示了睡眠与DNA损伤之间存在双向相互作用，环境因素（如UV辐射）和诱变剂通过诱导DNA损伤和细胞应激，可能促进了刺胞动物睡眠的进化出现。
研究结论与意义
本研究表明，睡眠是一种易受攻击的行为状态，却在拥有神经系统的动物中普遍存在。该研究提出，睡眠是对清醒状态细胞代价的一种适应性解决方案。通过对昼行性C. andromeda和晨昏性N. vectensis睡眠架构的详细表征，研究发现尽管二者昼夜节律型不同，睡眠调节机制存在差异（C. andromeda主要受光和稳态驱动，N. vectensis主要受昼夜节律钟和稳态驱动），但它们每日总睡眠时间相似（约8小时），且睡眠均能有效缓解清醒期间积累的神经元DNA损伤。更重要的是，诱导DNA损伤会增强睡眠压力，而促进睡眠（如通过褪黑素）则有助于降低DNA损伤水平。这些发现强有力地表明，睡眠在维持基因组完整性方面的功能在进化上非常古老，其出现可能就是为了支持拥有简单神经网络的古老刺胞动物中不可替代神经元的细胞维护，为解决“睡眠为何进化”这一根本问题提供了关键证据。睡眠可能进化而来，为个体神经元的高效细胞维护提供了整块时间。随着进化过程中神经元数量和网络复杂性的增加，睡眠可能进一步演变为限制非同步的细胞维护，并协调相互连接电路中的神经元活动和维护，确保功能稳定性。这项研究不仅深化了对睡眠核心功能的理解，也为在更基础的生物模型中探索睡眠与细胞健康、学习记忆等高级功能的关系开辟了新途径。
