张伟课题组发表文章揭示了平行机械感受信号通路介导果蝇产卵决策行为的神经机制

发布日期:2020-07-12

2020年7月9日,清华大学生命学院,IDG/麦戈文脑科学研究院张伟研究员在《Current Biology》杂志上在线发表题为“Parallel Mechanosensory Pathways Direct Oviposition Decision-Making in Drosophila”的研究长文(https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.05.076),报道了关于动物感知机械力神经机制的最新研究结果。

动物依赖特化的机械感受器官和神经元感知外界环境中的机械力信号,如风,声音,质地硬度等。黑腹果蝇利用唇瓣上的机械感觉毛判断食物表面硬度,起始取食行为。多个机械敏感离子通道参与感知该过程中的质地硬度。除了取食硬度感知,果蝇选择产卵地点时需要利用多个感觉器官,如足,唇瓣和产卵器判定产卵基质的硬度,并最终决定产卵决策行为。相较于取食过程中的硬度感知,产卵地点的质地硬度识别是一个更为复杂,且包含多个机械力感觉步骤的过程,但负责机械力感知的神经机制仍待详细研究。利用遗传学筛选、行为学测定、光学成像以及功能性生理实验,本研究鉴定了三条平行的机械力感受通路,分别表达不同的机械感受受体,最终介导果蝇选择低硬度区域排卵,且该编码机制完全不同于已报道的取食硬度感受机制模型。该研究有助于加深机械力感受分子和细胞机制的理解,促进解析神经编码的复杂性,特别是为下游中枢神经系统信号整合机制的探究奠定基础。

图1:研究总结示意图

首先,作者设计了一种双选产卵装置,内部含有两种不同浓度的琼脂糖溶液,模拟两个不同的产卵基质硬度。根据二者的硬度差异范围,分成subtle,mild和moderate三个测试区间。行为学结果显示果蝇能够偏好低硬度区域产卵,且偏好强度与差异范围相关。接下来,通过切除不同的机械感受组织器官和筛选不同机械敏感离子通道突变体,发现subtle范围的感受主要依赖唇瓣的Iav-Gal4和Nan-Gal4标记的神经细胞。基于Flippase的遗传交集操作发现存在单树突无分枝的唇瓣神经元,定义为single-dendritic labial neuron(sd-L)。利用破伤风毒素(TNT)特异性封闭sd-L细胞的突触连接显著降低了果蝇对于sutble范围的行为反应,而热激活这群细胞显著性抑制果蝇排卵。进一步借助钙离子成像的生理实验证实sd-L细胞直接响应外界机械力刺激。这些证据表明唇瓣sd-L细胞负责识别subtle硬度范围。

图2:唇瓣sd-L神经元介导感知subtle硬度范围的产卵决策

进一步的细胞标记实验发现,相较Iav-Gal4而言Nan-Gal4在足部跗节标记了更多的机械感受神经元,而跗节直接接触基质表面,暗示参与机械硬度感受。沉默Nan+/Iav-的细胞类群 (Iav-Gal80)并摘除唇瓣后,果蝇丧失感受mild和moderate范围的行为反应。而热激活这部分细胞则显著性抑制果蝇在0.25%基质的产卵量,说明升高细胞活性抑制排卵。紧接着,电生理记录证据证明Nan-Gal4标记的足部跗节机械感受神经元响应机械力刺激,且需要机械敏感离子通道Nan和Piezo蛋白的参与。为了排除Nan-Gal4标记的大脑神经元对行为结果的影响,作者借助双色共标实验发现NompC-Gal4与Nan-LexA存在共标信号,且在大脑中没有神经元胞体标记。使用破伤风毒素沉默NompC-Gal4标记细胞的突触连接,显著降低果蝇对mild和moderate范围的行为反应,并且在这群跗节神经元内特异性敲降Nan表达水平后引起相同的行为反应表型,这些证据证明足部跗节Nan+/NompC+感受细胞介导对mild和moderate硬度范围内的低硬度选择。

图3:Iav-Gal4、Nan-Gal4和Nan-Gal4/Iav-Gal80标记细胞的中枢投射

最后,作者在足部跗节中发现Piezo和NompC、Nan两两之间均存在共标信号,说明三者表达在同一机械感受神经元内。切除唇瓣的Piezo突变体仅影响mild硬度范围的行为反应,但对moderate范围表型正常。在NompC中特异性敲降piezo的表达水平,同样仅影响mild范围。沉默表达piezo的R55B01-Gal4品系标记的足部跗节神经元,得到类似的行为学结果。上述证据表明表达在足部跗节的Piezo蛋白仅参与感受mild硬度范围,而不影响moderate范围的行为反应。这样就把Nan-Gal4标记的细胞分成两部分,分别响应mild和moderate硬度范围。总结下来,该研究工作使我们加深了对于动物感知和编码外界机械力刺激神经基础的理解,为阐明中枢神经系统处理外周机械信号的神经环路机制奠定基础。

图4:足部跗节机械感受神经元直接响应外界机械力刺激

清华大学生命学院博士后张立伟和清华-北大生命科学联合中心2017级博士生余洁为本文共同第一作者,张立伟博士和张伟研究员为本文共同通讯作者。该研究工作得到国家自然基金委(31871059)、北京市科委(Z181100001518001)和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院“Brain+X”种子基金的资助。张伟课题组受到清华-北大生命科学联合中心和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的支持。

原文链接:https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30763-6