黑腹果蠅多巴胺與應(yīng)激

楊珺斐， 賈 佳， 覃宏濤

(湖南大學(xué) 生物學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410000)

多巴胺是人類大腦中豐富的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，控制著運(yùn)動(dòng)、情感、認(rèn)知和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等多種重要功能。多種神經(jīng)障礙疾病都與多巴胺系統(tǒng)障礙有關(guān)。導(dǎo)致多巴胺系統(tǒng)障礙的因素既有先天遺傳因子，也有后天環(huán)境因子。當(dāng)機(jī)體遇到這些不利(或有害)的誘發(fā)因子，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)受到影響時(shí)，機(jī)體會(huì)通過(guò)神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)的介導(dǎo)產(chǎn)生一系列反應(yīng)，維系內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，而這個(gè)過(guò)程叫做應(yīng)激[1]。應(yīng)激對(duì)多巴胺系統(tǒng)可以產(chǎn)生很大的影響，是多巴胺系統(tǒng)障礙疾病的重要因素[2-3]。本文以黑腹果蠅為研究模型，對(duì)多巴胺相關(guān)研究以及應(yīng)激對(duì)其調(diào)控作用的近期研究進(jìn)展簡(jiǎn)要回顧。

1 黑腹果蠅模型的優(yōu)勢(shì)

果蠅是遺傳背景可追蹤的模式生物。果蠅基因組計(jì)劃(Fly Genome Project，F(xiàn)GP)于 2000 年初完成，幾經(jīng)改進(jìn)之后目前已經(jīng)獲得了143.9 Mb的參考基因組序列，還有部分高度重復(fù)序列富集區(qū)域以目前基于克隆技術(shù)的定位和測(cè)序策略仍難以完成。果蠅基因組共有約14 000個(gè)基因，其序列具有高度的進(jìn)化保守性，大約75%的人類致病基因都能找到果蠅的同源基因[4]。這種保守性為將果蠅的研究成果轉(zhuǎn)化至人類疾病研究提供了可能。

黑腹果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)可分為胸腹神經(jīng)節(jié)、食管上神經(jīng)節(jié)和食管下神經(jīng)節(jié)3個(gè)部分。除視盤以外的食管上神經(jīng)節(jié)和食管下神經(jīng)節(jié)被稱為中央腦。在中央腦中，有兩個(gè)結(jié)構(gòu)形態(tài)較特化的重要腦區(qū)：蘑菇體(mushroom body, MB)和中央復(fù)合體(central complex, CX)。蘑菇體和中央復(fù)合體除了參與滿足果蠅生命所必需的一些基本行為外，還同果蠅的學(xué)習(xí)、記憶、類注意力等高級(jí)認(rèn)知功能密切相關(guān)[5]。

作為最成功的遺傳模式動(dòng)物之一，黑腹果蠅具有豐富的、易于操作的遺傳工具，轉(zhuǎn)基因、基因敲除等技術(shù)手段都很成熟。以Gal4/UAS為代表的二元或多元表達(dá)系統(tǒng)是果蠅神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域被使用最多的多功能遺傳工具，可以通過(guò)對(duì)基因表達(dá)的控制來(lái)特異性地標(biāo)記神經(jīng)元或操縱其功能[6]。經(jīng)過(guò)對(duì)大規(guī)模Gal4品系的篩選以及Split-Gal4、FINGR、光遺傳學(xué)等[7]新策略、新技術(shù)的引入，已經(jīng)能夠?qū)ι窠?jīng)元的功能在時(shí)間上和空間上進(jìn)行高精度的控制。

2 多巴胺系統(tǒng)

2.1 多巴胺的代謝

參與多巴胺動(dòng)力學(xué)(合成、分泌、運(yùn)輸和代謝)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(受體和下游信號(hào)級(jí)聯(lián))的許多基因在果蠅和人類之間是保守的。與哺乳動(dòng)物相比，果蠅多巴胺生物合成的相似部分超過(guò)50%[2]。合成的多巴胺由囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(VMAT)介導(dǎo)，分泌到突觸間隙，一部分與突觸后細(xì)胞的多巴胺受體結(jié)合并調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)，多余的多巴胺需要從突觸間隙中及時(shí)被清除以維持大腦中的多巴胺信號(hào)水平[8]。已知的清除機(jī)制有3種：第1種機(jī)制是通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Dat)將多巴胺回收到突觸前神經(jīng)元中；第2種機(jī)制是被神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞攝取，在烏木酶(Ebony)作用下生成NBAD，然后從神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞傳遞到突觸前神經(jīng)元，并通過(guò)Tan重新生成多巴胺；第3種機(jī)制是通過(guò)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在多巴胺N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(aaNAT)催化下，將多巴胺代謝成無(wú)活性的化合物(NADA)。

2.2 多巴胺神經(jīng)元的分布

在成年果蠅大腦中大約有280個(gè)多巴胺神經(jīng)元。多巴胺能神經(jīng)突起廣泛地分布在整個(gè)腦部，并且被分隔在特定的腦結(jié)構(gòu)中。Mao等[9]對(duì)TH-Gal4標(biāo)記的127個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行了觀察，并進(jìn)一步精細(xì)分析了其中的8簇多巴胺神經(jīng)元，包括PAL、PAM、PPM1、PPM2、PPM3、PPL1、PPL2ab和PPL2c。這些神經(jīng)元除了PPM1在中線位置外，其他7種類型在每個(gè)半球中是雙側(cè)對(duì)稱的。與多巴胺受體在蘑菇體中富集的發(fā)現(xiàn)一致，不少多巴胺神經(jīng)元的軸突投射到蘑菇體小葉中。這些神經(jīng)元分別來(lái)源于PAM、PPL1和PPL2ab[10]。除了蘑菇體，多巴胺能神經(jīng)末梢也投射到中央復(fù)合體中。投射到中心復(fù)合體的多巴胺神經(jīng)元主要來(lái)源于PPM3。PPM3又可細(xì)分為3種亞型，分別投射到扇形體、扇形體配對(duì)的結(jié)節(jié)體以及橢球體上。

2.3 多巴胺的功能

盡管多巴胺神經(jīng)元數(shù)量不多，但其神經(jīng)突起投射范圍廣泛，可影響到多個(gè)重要腦區(qū)。研究表明多巴胺在調(diào)節(jié)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)、食欲、溫度偏好、求偶、攻擊性、覺醒、睡眠、注意力、學(xué)習(xí)、記憶和注意力等多種重要行為的方面起到了關(guān)鍵作用。

2.3.1 基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)

多項(xiàng)研究表明多巴胺信號(hào)影響果蠅的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)性。一般而言，多巴胺信號(hào)的升高使得果蠅更加活躍，而多巴胺信號(hào)的降低導(dǎo)致活動(dòng)減少。在成蠅暴露的神經(jīng)束上直接應(yīng)用多巴胺激動(dòng)劑可以激發(fā)典型的梳理行為，而多巴胺抑制劑則減弱其活動(dòng)能力。此外，使用遺傳操作來(lái)促進(jìn)或抑制成蠅多巴胺分泌和信號(hào)傳導(dǎo)也能分別引起運(yùn)動(dòng)性的增加或減少。然而，多巴胺并不總是增加果蠅的活動(dòng)性。有研究報(bào)道增加多巴胺水平可導(dǎo)致幼蟲運(yùn)動(dòng)減少，而多巴胺水平降低則導(dǎo)致活動(dòng)過(guò)度和過(guò)度興奮[11]。這些相互矛盾的發(fā)現(xiàn)，可能是由于多巴胺水平、突觸后神經(jīng)元、受體或下游信號(hào)傳導(dǎo)的差異所導(dǎo)致。

2.3.2 晝夜節(jié)律、覺醒和睡眠

多巴胺對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部分的作用可歸因于多巴胺在調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、喚醒和睡眠中的作用。野生型果蠅往往在黃昏和黎明時(shí)更加活躍，而在夜間睡得更多。通過(guò)阻斷多巴胺回收從而增加突觸多巴胺水平可減少果蠅在夜間的睡眠并增加基礎(chǔ)活動(dòng)。人工激活多巴胺能神經(jīng)元也能起到促進(jìn)覺醒的作用，相反多巴胺受體Dop1R1基因的缺失突變導(dǎo)致睡眠時(shí)間增加。此外，咖啡因也被證明可通過(guò)激活PAM多巴胺神經(jīng)元顯著減少果蠅的睡眠[12]。由于不少多巴胺合成和代謝相關(guān)基因的表達(dá)已經(jīng)被證明是有晝夜節(jié)律的，果蠅的覺醒和睡眠狀態(tài)能夠被多巴胺信號(hào)動(dòng)態(tài)變化的生物鐘所調(diào)節(jié)[13]。近期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)果蠅睡眠和覺醒的特定的多巴胺能神經(jīng)元及相關(guān)神經(jīng)環(huán)路。

2.3.3 學(xué)習(xí)與記憶

多巴胺神經(jīng)元參與學(xué)習(xí)與記憶的過(guò)程。多巴胺不僅是獲得厭惡記憶所必需的，而且多巴胺在獎(jiǎng)賞性學(xué)習(xí)方面也有重要作用[14]。剛剛習(xí)得的新記憶并不穩(wěn)定，會(huì)很快被遺忘或者固化成相對(duì)穩(wěn)定的記憶形式。多巴胺水平的升高和降低都會(huì)對(duì)記憶的維持產(chǎn)生負(fù)面影響，說(shuō)明多巴胺的最佳濃度和時(shí)空調(diào)節(jié)是維持記憶的關(guān)鍵[15]。有意思的是多巴胺對(duì)學(xué)習(xí)和遺忘的影響是由不同的多巴胺受體(分別為Dop1R1和Dop1R2)所介導(dǎo)的。多巴胺對(duì)記憶形成、維持和清除的影響很復(fù)雜，最近的功能解剖學(xué)研究已經(jīng)開始揭示在學(xué)習(xí)和記憶不同階段起關(guān)鍵作用的特定的多巴胺能神經(jīng)簇或神經(jīng)元[16]。人工激活與學(xué)習(xí)相關(guān)的多巴胺神經(jīng)可以用來(lái)誘導(dǎo)異位記憶的形成[17]。

2.3.4 求偶和性取向

果蠅的求偶行為是一種被廣泛研究的經(jīng)典行為范式。雄蠅利用視覺、嗅覺和味覺等多種線索來(lái)識(shí)別潛在的交配對(duì)象，然后開始一套被稱為“求偶舞蹈”的程序化行為。雌蠅也會(huì)整合感官線索來(lái)識(shí)別正在向它求愛的雄性，并決定是否接受或拒絕它。早期的研究使用酪氨酸羥化酶抑制劑來(lái)降低成蠅大腦的多巴胺水平，發(fā)現(xiàn)多巴胺是雌蠅接受度的必要條件，但對(duì)于雄蠅求偶行為來(lái)說(shuō)是可有可無(wú)的[18]。然而，過(guò)表達(dá)VMAT增加多巴胺水平卻可以促進(jìn)雄蠅的求偶行為，dDA1突變體雄蠅的求偶行為明顯減少[19]。有趣的是，增加多巴胺水平還會(huì)促進(jìn)雄蠅對(duì)雄蠅的求偶，這表明多巴胺水平可能在雄蠅性取向中發(fā)揮作用[20]。令人困惑的是，多巴胺水平的降低也同樣增加了雄蠅對(duì)雄蠅的吸引力，與此一致的是Dop1R1突變體的雄-雄求偶行為也增加了[21]。由于過(guò)高和過(guò)低的多巴胺水平都會(huì)誘導(dǎo)雄-雄求偶行為，多巴胺在果蠅求偶和性取向中的確切作用尚有待進(jìn)一步研究。

3 應(yīng)激與多巴胺系統(tǒng)

應(yīng)激是當(dāng)機(jī)體受到內(nèi)外環(huán)境刺激并威脅到內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)時(shí)，機(jī)體所表現(xiàn)出來(lái)的非特異反應(yīng)。在哺乳動(dòng)物中，應(yīng)激常常會(huì)引起下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸激活，同時(shí)藍(lán)斑-去甲腎上腺素能神經(jīng)元/交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)也參與，促腎上腺皮質(zhì)激素(adreno-corticotrophin hormone，ACTH)、糖皮質(zhì)激素(glucncorticoid，GC)、兒茶酚胺(cateeholamine)等分泌增加，產(chǎn)生一系列非特異性反應(yīng)，增強(qiáng)機(jī)體抵抗力[22]。當(dāng)昆蟲受到應(yīng)激刺激時(shí)，也有類似的神經(jīng)激素級(jí)聯(lián)應(yīng)答。比如，熱應(yīng)激可以誘導(dǎo)果蠅體液中的多巴胺和章胺快速升高。章胺是昆蟲的去甲腎上腺素的類似物，具有廣泛的生理效應(yīng)；昆蟲的章胺能系統(tǒng)也被認(rèn)為和交感神經(jīng)系統(tǒng)是功能同源的。在章胺升高之后，受神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的心側(cè)體所分泌的脂動(dòng)激素也會(huì)隨之升高。這一套神經(jīng)激素調(diào)控系統(tǒng)跟HPA軸有很多相似之處[1]。

應(yīng)激會(huì)引起哺乳動(dòng)物多巴胺系統(tǒng)的應(yīng)答反應(yīng)，不同腦區(qū)的多巴胺能神經(jīng)元的基線活性可能會(huì)增加或減少，這取決于應(yīng)激的類型(如代謝、機(jī)械、急性、慢性)和動(dòng)物的年齡。黑腹果蠅的多巴胺系統(tǒng)同樣是其應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。代謝壓力、氧化應(yīng)激、溫度或機(jī)械應(yīng)力等多種應(yīng)激源都會(huì)導(dǎo)致酪氨酸羥化酶(多巴胺生物合成中限速酶)的活性發(fā)生改變，影響多巴胺能的生理作用。不同的應(yīng)激源所引起的多巴胺能變化也會(huì)不同。例如，當(dāng)雌蠅受到百草枯溶液處理之后，酪氨酸羥化酶活性會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致雌蠅的性接受度降低[23]；然而，機(jī)械震蕩處理卻會(huì)引起雌蠅酪氨酸羥化酶活性的增加，而且其性接受度也不會(huì)降低[24]。

環(huán)境溫度對(duì)果蠅的生存具有重要意義，因而果蠅天生就具有很強(qiáng)的溫度偏好行為，逃避低溫環(huán)境。這種冷規(guī)避行為是由多巴胺神經(jīng)元所介導(dǎo)的。如果通過(guò)過(guò)表達(dá)鉀離子通道(Kir2.1)靶向抑制果蠅多巴胺能神經(jīng)元活性，果蠅就會(huì)喪失冷規(guī)避行為。與此一致的是，Dop1R1突變體果蠅的冷規(guī)避行為也有缺陷，而在蘑菇體(MB)中靶向過(guò)表達(dá)Dop1R1基因就足以恢復(fù)其冷趨避行為[25]。可見，環(huán)境應(yīng)激對(duì)果蠅行為的影響可以通過(guò)對(duì)多巴胺的調(diào)控所介導(dǎo)。

饑餓是一種內(nèi)源的應(yīng)激，同樣事關(guān)果蠅的生死。饑餓會(huì)引起果蠅一系列生理和行為的變化，而多巴胺能神經(jīng)元在這個(gè)過(guò)程中同樣起到了重要的作用[26]。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的果蠅能夠?qū)馕逗驼崽邱詈掀饋?lái)，形成獎(jiǎng)賞性記憶。這種記憶必須要在饑餓的狀態(tài)之下才能被提取。如果人工激活饑餓果蠅的γ1ped PPL1多巴胺神經(jīng)元，獎(jiǎng)賞性記憶的提取就受到抑制；反之抑制飽食果蠅的γ1ped PPL1多巴胺神經(jīng)元可以促進(jìn)獎(jiǎng)賞性記憶的表達(dá)?？梢?，多巴胺能神經(jīng)元介導(dǎo)了饑餓應(yīng)激對(duì)果蠅覓食行為的驅(qū)動(dòng)力[27]。事實(shí)上，給饑餓果蠅喂食蔗糖會(huì)激活投射到蘑菇體葉γ4和γ5 區(qū)的獎(jiǎng)賞性多巴胺神經(jīng)元；而激活投射到蘑菇體葉β′2和γ5區(qū)的多巴胺神經(jīng)元?jiǎng)t會(huì)增強(qiáng)饑餓果蠅對(duì)食欲性氣味的反應(yīng)[28]。這暗示著多巴胺系統(tǒng)是饑餓應(yīng)激的調(diào)節(jié)因子，饑餓應(yīng)激通過(guò)改變特定多巴胺能神經(jīng)元的活性模式來(lái)形成饑餓狀態(tài)下所特有的行為。這對(duì)果蠅適應(yīng)多變的外界環(huán)境具有重要意義。比如，二氧化碳是果蠅在逆境情況下會(huì)分泌的一種警報(bào)外激素，會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的逃避行為；但是果蠅鐘愛的食物(比如腐敗水果，酵母等)也產(chǎn)生二氧化碳。有研究發(fā)現(xiàn)食物的氣味會(huì)抑制饑餓果蠅對(duì)二氧化碳?xì)怏w的逃避行為[29]，而這種抑制作用是由食物氣味激活投射到蘑菇體β′2區(qū)的PAM多巴胺神經(jīng)元所介導(dǎo)的[30]。

4 結(jié)論與展望

黑腹果蠅多巴胺的代謝途徑以及多巴胺能神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有一定的進(jìn)化保守性。利用果蠅遺傳模式開展多巴胺相關(guān)研究，對(duì)理解多巴胺障礙相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理具有重要意義。多巴胺能神經(jīng)元能夠調(diào)控果蠅的運(yùn)動(dòng)性、覺醒以及包括學(xué)習(xí)和記憶在內(nèi)的多種適應(yīng)性行為。環(huán)境應(yīng)激不但引起細(xì)胞和生理層面的適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致果蠅行為的改變。近年來(lái)的研究顯示多巴胺能神經(jīng)元在介導(dǎo)機(jī)體對(duì)應(yīng)激的行為反應(yīng)方面起到了重要的作用。應(yīng)激刺激通過(guò)改變特定多巴胺能神經(jīng)元的活性，從而調(diào)控相應(yīng)的行為，使之產(chǎn)生適應(yīng)性變化。

除了在環(huán)境應(yīng)激刺激下特定多巴胺能神經(jīng)元的活性會(huì)發(fā)生改變之外，大量的多巴胺神經(jīng)元在沒有外部刺激的情況下，表現(xiàn)出持續(xù)的內(nèi)在活動(dòng)。盡管在認(rèn)知過(guò)程中多巴胺神經(jīng)元的這些內(nèi)在“自發(fā)活動(dòng)”的功能意義上積累了證據(jù)，但行為及其基本機(jī)制的因果關(guān)系尚未闡明。最近在果蠅中進(jìn)行的生理研究發(fā)現(xiàn)，果蠅大腦中的多巴胺神經(jīng)元是自發(fā)活躍的，并且這種活動(dòng)反映了動(dòng)物的行為以及內(nèi)部狀態(tài)。值得注意是，通過(guò)遺傳工具操作多巴胺神經(jīng)元活性導(dǎo)致了果蠅的行為改變，提供了將自發(fā)多巴胺神經(jīng)元活性與行為狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵證據(jù)。此外，環(huán)路層面的分析已經(jīng)開始揭示細(xì)胞和分子機(jī)制?？偠灾?，無(wú)論是環(huán)境刺激還是內(nèi)部狀態(tài)的起因，多巴胺神經(jīng)的活性才是行為或行為選擇的關(guān)鍵因素。通過(guò)利用先進(jìn)的遺傳技術(shù)，未來(lái)的研究應(yīng)該可以解釋動(dòng)物行為如何被自發(fā)的多巴胺活性優(yōu)化。