为啥越累越想睡？《Nature》最新发现：线粒体 “喊累” 时，睡眠就来了
2025-08-25 互联网
2025年7月16日最新发表在顶级期刊《Nature》杂志上的研究揭示，睡眠的本质可能是细胞“发电厂”线粒体的“维修时间”。当线粒体功能异常，睡眠压力就会如潮水般涌来;而睡眠，正是线粒体修复损伤、重获活力的关键过程。本期小编就带您详细解析这篇高质量研究。
一、“细胞发电厂” 的困境：线粒体为何与睡眠绑定?
在我们的细胞里，线粒体就像一座微型发电厂，通过有氧代谢将食物中的能量转化为 ATP(细胞的 “能量货币”)，支撑着生命活动的每一个瞬间。这个过程的核心是电子传递链—— 一系列蛋白复合体像接力赛一样传递电子，最终将氧气转化为水，同时产生 ATP。
但这座“发电厂”并非永远稳定。当我们清醒时，大脑神经元处于活跃状态，线粒体的电子传递需求激增。研究以果蝇为模型发现，大脑中有一种专门调控睡眠的神经元 —— 背扇形体投射神经元(dFBNs)，它们对线粒体的“疲惫”格外敏感。
清醒时间越长，dFBNs 的线粒体就越容易陷入困境：电子传递链中，电子的“供应”超过了 ATP 合成的 “需求”，多余的电子会泄漏出来，与氧气结合产生活性氧(ROS)。这些 ROS 就像“电火花”，会损伤线粒体膜上的脂质，破坏线粒体结构。为了应对这种损伤，线粒体开始“自我拆解”—— 原本完整的线粒体分裂成碎片，这是一种紧急应激反应，就像工厂出故障时先停机拆解零件。
与此同时，dFBNs 的基因表达也发生了显著变化：与线粒体呼吸、ATP 合成相关的基因被强烈激活，仿佛在紧急招募“维修人员”;而与突触传递相关的基因则被抑制，就像暂时关闭非必要功能，集中资源应对危机。这种基因表达的“倾斜”，是睡眠压力上升的分子信号。
图线粒体功能异常(如ATP 供需失衡、ROS 积累)驱动睡眠压力
二、睡眠：线粒体的“维修与重启”程序
当线粒体的“困境信号” 积累到一定程度，我们就会感到难以抗拒的睡意 —— 这其实是身体在提醒：该给线粒体“检修”了。研究发现，睡眠正是线粒体修复损伤、恢复功能的关键过程，主要通过三个步骤完成：
1. 清理受损部件：线粒体自噬激活
睡眠剥夺后，dFBNs 中会出现大量碎片化的线粒体，其中不乏受损严重的“废件”。睡眠期间，细胞会启动线粒体自噬(mitophagy)机制，清理受损线粒体，就像给工厂配备了 “垃圾清运车”。研究通过荧光标记观察到，睡眠剥夺后 dFBNs 的线粒体自噬水平显著升高，而经过恢复睡眠后，这些受损线粒体被大量清除。
2. 重建完整结构：线粒体融合修复
清理完“废件”后，线粒体需要重新组装成完整、高效的“发电单元”。睡眠期间，线粒体的融合机制被激活：原本碎片化的线粒体通过融合蛋白(如 Opa1、Marf)重新连接，恢复体积和分支结构。实验显示，恢复睡眠后，dFBNs 的线粒体体积、分支长度会反弹至正常水平以上，甚至比清醒时更“强壮”。
3. 平衡能量代谢：电子传递链重置
睡眠的核心作用，是解决清醒时积累的“电子供需失衡”。清醒时，dFBNs 因神经元受抑制而消耗 ATP 减少，导致电子传递链中电子“堆积”;而睡眠时，dFBNs 的神经元兴奋性恢复，ATP 消耗增加，电子传递链重新达到平衡，减少 ROS 产生。研究证实，只要打破这种失衡，即使不睡觉，线粒体的损伤也会减轻，睡眠压力也会随之缓解。
三、操控线粒体，就能控制睡眠?
为了验证线粒体与睡眠的直接关联，研究人员做了一系列“线粒体手术”：
促进线粒体裂变：通过过表达裂变蛋白 Drp1，让 dFBNs 的线粒体持续处于碎片化状态。结果发现，果蝇的睡眠时间显著减少，即使被强制熬夜，也不会出现睡眠反弹(即“补觉”行为)。
促进线粒体融合：反之，通过敲低 Drp1 或过表达融合蛋白 Opa1，让线粒体保持“完整状态”，果蝇的睡眠需求明显增加，觉醒阈值升高(更难被叫醒)。
修复电子传递链：当给线粒体安装“电子安全阀”，多余的电子可以被安全消耗，减少 ROS 产生。这时，即使睡眠被剥夺，线粒体碎片化也会减轻，果蝇的睡眠压力显著降低。
这些实验清晰地证明：线粒体的形态和功能状态，直接决定了睡眠的需求和时长。当线粒体“健康”，睡眠压力就小;当线粒体“受损”，就必须通过睡眠来修复 —— 这正是“睡眠压力的线粒体起源”的核心逻辑。
图2线粒体形态异常是睡眠压力产生的关键中间步骤
四、基于3个核心机制，如何帮线粒体“减负”?
既然线粒体健康与睡眠质量息息相关，那我们能否通过营养手段呵护线粒体，让它少“喊累”?近年来的研究发现，一些天然成分能针对性改善线粒体功能，或许能成为睡眠的“好帮手”。
1. 尿石素 A：给线粒体 “大扫除”
尿石素A的核心作用是促进线粒体自噬，研究显示，尿石素A能激活细胞清理受损线粒体的机制，减少碎片化线粒体的积累。对于睡眠不足的人来说，补充尿石素A可能帮助减轻线粒体损伤，缓解睡眠压力带来的疲劳感。这与果蝇实验中“恢复睡眠激活线粒体自噬” 的机制不谋而合。
2. PQQ(吡咯喹啉醌)：催生 “新发电厂”
PQQ的核心作用是刺激线粒体的生物合成。PQQ 可以通过激活相关基因让细胞“建造新工厂”，增加新线粒体数量。这与果蝇 dFBNs 在睡眠中“线粒体基因上调、修复形态” 的过程类似，能从根源上增强线粒体的“发电能力”。
3. 辅酶Q10：稳定 “电子传递链”
辅酶Q10是线粒体电子传递链中不可或缺的“电子载体”，就像传递能量的“传送带”。在果蝇实验中，电子传递链失衡是睡眠压力的核心诱因;而辅酶 Q10 能增强电子传递效率，减轻线粒体损伤。对于因线粒体功能下降导致的睡眠问题(如老年人入睡困难)，补充辅酶Q10可通过稳定电子传递链，降低睡眠压力。
五、睡眠：有氧代谢的“必然代价”
从果蝇到人类，有氧代谢为生命提供了高效能量，但也埋下了“隐患”—— 电子传递链的失衡和线粒体损伤，是有氧生物无法避免的代价。研究指出，睡眠与衰老类似，都是有氧代谢的“必然结果”：就像机器运转久了需要保养，线粒体在日复一日的“发电”中积累损伤，也需要保养。而好好睡觉，给线粒体足够的修复时间，或许就是最简单也最有效的健康投资。毕竟，细胞深处的线粒体健康了，我们的生命活力才能如源源不断的电流，支撑起每一个清醒的日子。
参考文献：Raffaele Sarnataro, Cecilia D. Velasco, et al. Mitochondrial origins of the pressure to sleep. Nature (2025)