黑腹果蝇多巴胺与应激

黑腹果蝇多巴胺与应激杨珺斐;贾佳; 覃宏涛期刊名称】生物学杂志年(卷),期】2019(036)002【总页数】4页(P86-89) 【关键词】 果蝇;多巴胺; 应激【作者】 杨珺斐; 贾佳;覃宏涛【作者单位】 湖南大学生物学院 长沙410000【正文语种】 中 文【中图分类】 Q42多巴胺是人类大脑中丰富的儿茶酚胺类神经递质，控制着运动、情感、认知和内分 泌调节等多种重要功能。多种神经障碍疾病都与多巴胺系统障碍有关。导致多巴胺 系统障碍的因素既有先天遗传因子，也有后天环境因子。当机体遇到这些不利(或 有害)的诱发因子，内环境稳态受到影响时，机体会通过神经-内分泌系统的介导产 生一系列反应，维系内环境的稳态，而这个过程叫做应激1。应激对多巴胺系统 可以产生很大的影响，是多巴胺系统障碍疾病的重要因素2-3。本文以黑腹果蝇 为研究模型，对多巴胺相关研究以及应激对其调控作用的近期研究进展简要回顾。1 黑腹果蝇模型的优势果蝇是遗传背景可追踪的模式生物。果蝇基因组计划(Fly Genome Project, FGP) 于2000年初完成，几经改进之后目前已经获得了 143.9 Mb的参考基因组序列， 还有部分高度重复序列富集区域以目前基于克隆技术的定位和测序策略仍难以完成 果蝇基因组共有约14 000个基因，其序列具有高度的进化保守性，大约75%的 人类致病基因都能找到果蝇的同源基因4。这种保守性为将果蝇的研究成果转化 至人类疾病研究提供了可能。黑腹果蝇的神经系统可分为胸腹神经节、食管上神经节和食管下神经节 3 个部分 除视盘以外的食管上神经节和食管下神经节被称为中央脑。在中央脑中，有两个结 构形态较特化的重要脑区：蘑菇体(mushroom body, MB)和中央复合体(central complex, CX)。蘑菇体和中央复合体除了参与满足果蝇生命所必需的一些基本行 为外，还同果蝇的学习、记忆、类注意力等高级认知功能密切相关5。作为最成功的遗传模式动物之一，黑腹果蝇具有丰富的、易于操作的遗传工具，转基因、基因敲除等技术手段都很成熟。以Gal4/UAS为代表的二元或多元表达系 统是果蝇神经科学领域被使用最多的多功能遗传工具，可以通过对基因表达的控制 来特异性地标记神经元或操纵其功能6。经过对大规模Gal4品系的筛选以及Split-Gal4、FINGR、光遗传学等7新策略、新技术的引入，已经能够对神经元的 功能在时间上和空间上进行高精度的控制。2 多巴胺系统2.1 多巴胺的代谢参与多巴胺动力学(合成、分泌、运输和代谢)和信号转导(受体和下游信号级联)的 许多基因在果蝇和人类之间是保守的。与哺乳动物相比，果蝇多巴胺生物合成的相 似部分超过50%2。合成的多巴胺由囊泡单胺转运体(VMAT)介导，分泌到突触 间隙，一部分与突触后细胞的多巴胺受体结合并调节细胞内信号传导级联，多余的 多巴胺需要从突触间隙中及时被清除以维持大脑中的多巴胺信号水平8。已知的 清除机制有3种：第1种机制是通过转运蛋白(Dat)将多巴胺回收到突触前神经元 中；第2种机制是被神经胶质细胞摄取，在乌木酶(Ebony)作用下生成NBAD,然 后从神经胶质细胞传递到突触前神经元，并通过Tan重新生成多巴胺；第3种机 制是通过神经胶质细胞在多巴胺N-乙酰转移酶(aaNAT)催化下，将多巴胺代谢成 无活性的化合物(NADA)。2.2 多巴胺神经元的分布在成年果蝇大脑中大约有280 个多巴胺神经元。多巴胺能神经突起广泛地分布在 整个脑部，并且被分隔在特定的脑结构中。Mao等9对TH-Gal4标记的127个 神经元进行了观察，并进一步精细分析了其中的8簇多巴胺神经元，包括PAL、 PAM、PPM1、PPM2、PPM3、PPL1、PPL2ab 和 PPL2c。这些神经元除了 PPM1 在中线位置外，其他7 种类型在每个半球中是双侧对称的。与多巴胺受体 在蘑菇体中富集的发现一致，不少多巴胺神经元的轴突投射到蘑菇体小叶中。这些 神经元分别来源于PAM、PPL1和PPL2ab10。除了蘑菇体，多巴胺能神经末梢 也投射到中央复合体中。投射到中心复合体的多巴胺神经元主要来源于PPM3。 PPM3 又可细分为3 种亚型，分别投射到扇形体、扇形体配对的结节体以及椭球 体上。2.3 多巴胺的功能 尽管多巴胺神经元数量不多，但其神经突起投射范围广泛，可影响到多个重要脑区 研究表明多巴胺在调节基础运动、食欲、温度偏好、求偶、攻击性、觉醒、睡眠、 注意力、学习、记忆和注意力等多种重要行为的方面起到了关键作用。2.3.1 基础运动 多项研究表明多巴胺信号影响果蝇的基础运动性。一般而言，多巴胺信号的升高使 得果蝇更加活跃，而多巴胺信号的降低导致活动减少。在成蝇暴露的神经束上直接 应用多巴胺激动剂可以激发典型的梳理行为，而多巴胺抑制剂则减弱其活动能力。此外，使用遗传操作来促进或抑制成蝇多巴胺分泌和信号传导也能分别引起运动性 的增加或减少。然而，多巴胺并不总是增加果蝇的活动性。有研究报道增加多巴胺 水平可导致幼虫运动减少，而多巴胺水平降低则导致活动过度和过度兴奋11。这 些相互矛盾的发现，可能是由于多巴胺水平、突触后神经元、受体或下游信号传导 的差异所导致。2.3.2 昼夜节律、觉醒和睡眠 多巴胺对基础运动部分的作用可归因于多巴胺在调节昼夜节律、唤醒和睡眠中的作 用。野生型果蝇往往在黄昏和黎明时更加活跃，而在夜间睡得更多。通过阻断多巴 胺回收从而增加突触多巴胺水平可减少果蝇在夜间的睡眠并增加基础活动。人工激 活多巴胺能神经元也能起到促进觉醒的作用，相反多巴胺受体 Dop1R1 基因的缺 失突变导致睡眠时间增加。此外，咖啡因也被证明可通过激活 PAM 多巴胺神经元 显著减少果蝇的睡眠12。由于不少多巴胺合成和代谢相关基因的表达已经被证明 是有昼夜节律的，果蝇的觉醒和睡眠状态能够被多巴胺信号动态变化的生物钟所调 节13。近期研究已经发现了调节果蝇睡眠和觉醒的特定的多巴胺能神经元及相关 神经环路。2.3.3 学习与记忆 多巴胺神经元参与学习与记忆的过程。多巴胺不仅是获得厌恶记忆所必需的，而且 多巴胺在奖赏性学习方面也有重要作用14。刚刚习得的新记忆并不稳定，会很快 被遗忘或者固化成相对稳定的记忆形式。多巴胺水平的升高和降低都会对记忆的维 持产生负面影响，说明多巴胺的最佳浓度和时空调节是维持记忆的关键15。有意 思的是多巴胺对学习和遗忘的影响是由不同的多巴胺受体（分别为DopIRI和 Dop1R2 ）所介导的。多巴胺对记忆形成、维持和清除的影响很复杂，最近的功能 解剖学研究已经开始揭示在学习和记忆不同阶段起关键作用的特定的多巴胺能神经 簇或神经元16。人工激活与学习相关的多巴胺神经可以用来诱导异位记忆的形成 17。2.3.4 求偶和性取向 果蝇的求偶行为是一种被广泛研究的经典行为范式。雄蝇利用视觉、嗅觉和味觉等 多种线索来识别潜在的交配对象，然后开始一套被称为“求偶舞蹈”的程序化行为。 雌蝇也会整合感官线索来识别正在向它求爱的雄性，并决定是否接受或拒绝它。早 期的研究使用酪氨酸羟化酶抑制剂来降低成蝇大脑的多巴胺水平，发现多巴胺是雌 蝇接受度的必要条件，但对于雄蝇求偶行为来说是可有可无的18。然而，过表达 VMAT增加多巴胺水平却可以促进雄蝇的求偶行为，dDA1突变体雄蝇的求偶行 为明显减少19。有趣的是，增加多巴胺水平还会促进雄蝇对雄蝇的求偶，这表明 多巴胺水平可能在雄蝇性取向中发挥作用20。令人困惑的是，多巴胺水平的降低 也同样增加了雄蝇对雄蝇的吸引力，与此一致的是Dop1R1突变体的雄-雄求偶行 为也增加了21。由于过高和过低的多巴胺水平都会诱导雄-雄求偶行为，多巴胺 在果蝇求偶和性取向中的确切作用尚有待进一步研究。3 应激与多巴胺系统 应激是当机体受到内外环境刺激并威胁到内环境稳态时，机体所表现出来的非特异 反应。在哺乳动物中，应激常常会引起下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴激活，同时蓝 斑-去甲肾上腺素能神经元/交感-肾上腺髓质系统也参与，促肾上腺皮质激素 (adreno-corticotrophin hormone，ACTH)、糖皮质激素(glucncorticoid，GC)、 儿茶酚胺(cateeholamine)等分泌增加，产生一系列非特异性反应，增强机体抵抗 力22。当昆虫受到应激刺激时，也有类似的神经激素级联应答。比如，热应激可 以诱导果蝇体液中的多巴胺和章胺快速升高。章胺是昆虫的去甲肾上腺素的类似物， 具有广泛的生理效应；昆虫的章胺能系统也被认为和交感神经系统是功能同源的。 在章胺升高之后，受神经系统调控的心侧体所分泌的脂动激素也会随之升高。这一 套神经激素调控系统跟HPA轴有很多相似之处1。应激会引起哺乳动物多巴胺系统的应答反应，不同脑区的多巴胺能神经元的基线活 性可能会增加或减少，这取决于应激的类型(如代谢、机械、急性、慢性)和动物的 年龄。黑腹果蝇的多巴胺系统同样是其应激反应的关键环节。代谢压力、氧化应激 温度或机械应力等多种应激源都会导致酪氨酸羟化酶(多巴胺生物合成中限速酶)的 活性发生改变，影响多巴胺能的生理作用。不同的应激源所引起的多巴胺能变化也 会不同。例如，当雌蝇受到百草枯溶液处理之后，酪氨酸羟化酶活性会下降，进而 导致雌蝇的性接受度降低23；然而，机械震荡处理却会引起雌蝇酪氨酸羟化酶活 性的增加，而且其性接受度也不会降低24。环境温度对果蝇的生存具有重要意义，因而果蝇天生就具有很强的温度偏好行为， 逃避低温环境。这种冷规避行为是由多巴胺神经元所介导的。如果通过过表达钾离 子通道(Kir2.1)靶向抑制果蝇多巴胺能神经元活性，果蝇就会丧失冷规避行为。与 此一致的是，Dop1R1突变体果蝇的冷规避行为也有缺陷，而在蘑菇体(MB)中靶 向过表达Dop1R1基因就足以恢复其冷趋避行为25。可见，环境应激对果蝇行 为的影响可以通过对多巴胺的调控所介导。饥饿是一种内源的应激，同样事关果蝇的生死。饥饿会引起果蝇一系列生理和行为 的变化，而多巴胺能神经元在这个过程中同样起到了重要的作用26。经过训练的 果蝇能够将气味和蔗糖耦合起来，形成奖赏性记忆。这种记忆必须要在饥饿的状态 之下才能被提取。如果人工激活饥饿果蝇的Ylped PPL1多巴胺神经元，奖赏性 记忆的提取就受到抑制；反之抑制饱食果蝇的Ylped PPL1多巴胺神经元可以促 进奖赏性记忆的表达。可见，多巴胺能神经元介导了饥饿应激对果蝇觅食行为的驱 动力27。事实上，给饥饿果蝇喂食蔗糖会激活投射到蘑菇体叶Y4和Y5区的奖 赏性多巴胺神经元；而激活投射到蘑菇体叶P2和y5区的多巴胺神经元则会增强 饥饿果蝇对食欲性气味的反应28。这暗示着多巴胺系统是饥饿应激的调节因子， 饥饿应激通过改变特定多巴胺能神经元的活性模式来形成饥饿状态下所特有的行为 这对果蝇适应多变的外界环境具有重要意义。比如，二氧化碳是果蝇在逆境情况下 会分泌的一种警报外激素，会引发强烈的逃避行为；但是果蝇钟爱的食物（比如腐 败水果，酵母等）也产生二氧化碳。有研究发现食物的气味会抑制饥饿果蝇对二氧 化碳气体的逃避行为29，而这种抑制作用是由食物气味激活投射到蘑菇体P2区 的 PAM 多巴胺神经元所介导的30。4 结论与展望 黑腹果蝇多巴胺的代谢途径以及多巴胺能神经系统的结构和功能具有一定的进化保 守性。利用果蝇遗传模式开展多巴胺相关研究，对理解多巴胺障碍相关疾病的发病 机理具有重要意义。多巴胺能神经元能够调控果蝇的运动性、觉醒以及包括学习和 记忆在内的多种适应性行为。环境应激不但引起细胞和生理层面的适应性应激反应， 也会导致果蝇行为的改变。近年来的研究显示多巴胺能神经元在介导机体对应激的 行为反应方面起到了重要的作用。应激刺激通过改变特定多巴胺能神经元的活性， 从而调控相应的行为，使之产生适应性变化。除了在环境应激刺激下特定多巴胺能神经元的活性会发生改变之外，大量的多巴胺 神经元在没有外部刺激的情况下，表现出持续的内在活动。尽管在认知过程中多巴 胺神经元的这些内在“自发活动”的功能意义上积累了证据，但行为及其基本机制 的因果关系尚未阐明。最近在果蝇中进行的生理研究发现，果蝇大脑中的多巴胺神 经元是自发活跃的，并且这种活动反映了动物的行为以及内部状态。值得注意是， 通过遗传工具操作多巴胺神经元活性导致了果蝇的行为改变，提供了将自发多巴胺 神经元活性与行为状态联系起来的关键证据。此外，环路层面的分析已经开始揭示 细胞和分子机制。总而言之，无论是环境刺激还是内部状态的起因，多巴胺神经的 活性才是行为或行为选择的关键因素。通过利用先进的遗传技术，未来的研究应该 可以解释动物行为如何被自发的多巴胺活性优化。参考文献相关文献】1 ADAMO S A. 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