熬夜不睡，免疫崩溃！长期睡眠不足会增加炎症疾病风险，即使补觉也难以逆转
丁香学术
睡眠与身体健康息息相关，机体免疫、新陈代谢等过程都依赖于睡眠。成年人的正常睡眠时间大约为 7～8 小时，然而由于熬夜、失眠等多种因素的影响，睡眠不足已成为一种普遍状态。
2022 年 9 月 21 日，一篇发表在 Journal of Experimental Medicine（IF = 17.579）的最新研究 Sleep exerts lasting effects on hematopoietic stem cell function and diversity，该研究表明长期睡眠不足会对造血干细胞产生持久的不良影响。具体来说，睡眠不足会重构造血干细胞和祖细胞（HSPCs）的表观基因组，并增加其增殖，通过加速遗传漂移减少造血克隆多样性，对免疫系统产生负面影响。
在小鼠中，睡眠碎片化对 HSPCs 表观基因组同样会产生持久的影响，使其倾向于髓系，并启动细胞发生更严重的炎症爆发。在人类中，睡眠限制会改变 HSPCs 表观基因组并激活造血。这些研究结果表明，睡眠通过校准骨髓造血干细胞的表观基因组、抑制炎症输出和维持克隆多样性来减缓造血系统的衰退。
图片来源：Journal of Experimental Medicine
研究内容
睡眠中断对造血有长期的影响
为了探索睡眠是否影响长期免疫功能，研究人员对小鼠进行睡眠碎片化（SF）干预，即在小鼠休息期间每 2 分钟唤醒小鼠，同时记录了来自大脑的脑电图信号和来自肌肉的肌电图信号，以量化小鼠的睡眠和清醒状态。他们对小鼠进行了 16 周睡眠干扰，随后又进行了 10 周的无干扰睡眠（恢复睡眠，RS），并在各阶段结束后抽取血液样本进行分析。
结果表明，在小鼠中，16 周的睡眠碎片化增强了造血功能和骨髓中 Lineage-Sca1+ cKit+细胞（LSK 细胞，这群细胞就是小鼠骨髓中的原始造血干细胞）的增殖，导致血液 Ly6Chi 单核细胞（一种免疫细胞）数量增加。
那么，在睡眠恢复后，这些指标会恢复到相应的状态吗？研究人员发现，相对于一直保持正常睡眠的对照组小鼠，恢复睡眠 4 周后小鼠血液中的 Ly6Chi 单核细胞和骨髓造血干细胞的数量，以及造血干细胞的增殖仍然处于升高的状态。直到恢复睡眠 10 周后，造血活性、Ly6Chi 单核细胞和 IL-6 水平才下降到对照水平。
图片来源：Journal of Experimental Medicine
睡眠中断会改变小鼠造血干细胞表观基因组
为了测试睡眠影响造血干细胞的内在机制，研究人员分析了小鼠骨髓中造血干细胞的表观基因组。首先，他们观察到 SF 小鼠造血祖细胞中组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性增加。接下来，他们对三组小鼠（对照组小鼠、接受 16 周睡眠干扰的小鼠，以及接受 16 周睡眠干扰后 10 周睡眠恢复的小鼠）的造血干细胞进行了 ATAC-seq。与对照组相比，睡眠干扰组小鼠的造血干细胞中有 470 个增强子位点具有差异可及性（differentially accessible, DA），表明睡眠干扰对骨髓造血干细胞的表观基因组进行了广泛的重编程。
图片来源：Journal of Experimental Medicine
接下来，研究人员比较了三组小鼠共有的峰值，他们发现 69%（319 个）睡眠干扰诱导的增强子可及性变化在睡眠恢复 10 周后恢复到了对照水平。然而，剩余 31%（140 个位点）的改变并没有因为睡眠恢复而相应恢复，这代表了一个保存的特征和持续表观遗传印迹的潜在标记。信号通路分析揭示了这些位点主要与细胞周期和细胞衰老有关。
这些结果表明，睡眠干扰重组了骨髓造血干细胞的表观基因组，即使在长时间睡眠恢复后，一部分表观遗传印迹仍然保留。
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研究人员发现，睡眠干扰限制了对淋巴细胞谱系分化非常重要的增强子（如 Bcl11a, Ftl3, Sox4, Icos 等）的可及性，但增强了与髓系分化相关的增强子（如 Csf2rb, Irf2bp2, Dyrk3, Erg 等）的可及性，这表明睡眠干扰限制了骨髓造血干细胞向淋巴细胞分化，并驱使其向髓系细胞分化。
在 10 周的睡眠恢复后，髓系增强因子的许多变化都保留了下来，但淋巴系增强因子却没有，这表明睡眠对造血干细胞谱系发育的影响是长期的。这些分析表明，SF 使造血系统向髓系倾斜，淋巴系分化能力下降。并且在后续的免疫挑战测试中，睡眠干扰组小鼠的炎症反应更加强烈，血液中单核细胞增多、血浆细胞因子水平增加、骨髓造血增强。
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通过分析随时间变化的血液集群动态，发现睡眠干扰加速了一些细胞簇的扩增，而另一些细胞簇则消失了，这与加速中性漂移的现象一致。在睡眠干扰小鼠组中，单核细胞和中性粒细胞的衰减速度比对照小鼠更快。后续的多项研究证实睡眠中断加速了骨髓造血干细胞的增殖和中性漂移。随着时间的推移，睡眠中断小鼠血液中造血细胞的克隆多样性减少。
睡眠不足会增强人的造血活性
在确定了睡眠在维持小鼠骨髓造血干细胞的表观基因组、免疫记忆和克隆多样性方面的作用后，研究人员将注意力转向了人类。
他们召集了 14 名平常睡眠时间充足且无睡眠障碍健康成年人作为志愿者，研究中包括 6 周的习惯性睡眠阶段，参与者每晚平均睡眠 7.4±0.1 小时，以及随后 6 周的睡眠限制阶段，每晚睡眠时间限制在 6.1±0.1 小时。参与者按照随机顺序先后经历了两个睡眠阶段，两个阶段之间包含至少间隔 6 周的洗脱期，在研究期第五周和第六周的早上 10 点和下午 15 点前后分别收集每种睡眠状况的采集血液并进行相关分析。
研究人员发现，当成年人睡眠不足时，他们在下午的循环单核细胞水平更高。它们血液中也有更多数量的免疫干细胞和免疫激活的证据。
睡眠限制增加了晚上血液中的 HSPCs 的数量，这一结果与小鼠研究的结果一致，表明睡眠限制增强了人体的造血活性。随后，研究人员测量了提取的 HSPCs 中的组蛋白乙酰转移酶（HAT）和 HDAC 活性，发现睡眠限制倾向于增加 HAT 和 HDAC 活性，这降低了组蛋白 H3 乙酰化，表明睡眠塑造了人类 HSPCs 的表观基因组。
此外，在经历睡眠限制的参与者血液中提取的 HSPCs 中 CD115 和 CD123 的表达增强，这是 HSPCs 分化为髓系细胞的信号。
以上这些结果表明，人的睡眠调节造血，塑造造血干细胞的表观基因组并促进其向髓系细胞分化。
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骨髓造血干细胞在睡眠限制的影响下被印记或基因改变，虽然这种变化不是永久性的，但它们在后续的几周内继续以更高的速度自我复制。免疫细胞的更高产生创造了一个更同质化的免疫环境，这可以加速克隆造血，这与年龄相关的疾病和心血管疾病的风险增加有关。
先前的研究已经确定了驱动造血干细胞增殖的基因突变。然而，这项研究发现，在这种情况下，通过睡眠限制对造血系统施加压力，在没有驱动突变的情况下产生了类似的结果。
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「我们的研究结果表明，睡眠恢复无法完全逆转低质量睡眠的影响。我们可以检测到骨髓造血干细胞中睡眠不足的分子印记，即使在恢复睡眠数周后也是如此。这种分子印记会导致细胞以不适当的方式做出反应，导致炎症和疾病。造血干细胞群整体多样性的减少和衰老是炎症性疾病和心血管疾病的重要因素。」该研究的共同通讯作者 Cameron McAlpine 博士说到。
这项研究确定了长期睡眠不足与免疫健康联系起来的生物学机制，强调了成年人每天持续睡眠 7～8 小时的重要性，以帮助预防炎症和疾病，特别是对于那些有潜在疾病的人来说。
