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河北大学康乐/陈兵团队揭示动物聚群行为新机理:大脑多巴胺的硫酸化(sulfation)代谢修饰

2021-09-20

动物的群体聚集是一个普遍的生物学现象,对动物的觅食、婚配、群体防御和抵抗天敌具有重要的意义。而蝗灾的发生就是种群高度聚集引起的。蝗灾发生时,一个蝗群往往会有十几亿只蝗虫聚集。特别是近几年蝗灾在全世界再度大发生,引进人们对粮食安全和生态安全的担忧。因此,认识蝗灾的奥妙和控制蝗灾,必须认识蝗虫群聚的机制。飞蝗是世界上分布最广泛的蝗虫,也是造成蝗灾的主要蝗虫物种。飞蝗从低密度的散居型转变为高密度的群居型,最重要的改变是发生聚群行为,进而推动大规模群体迁飞形成蝗灾。

康乐院士团队过去系列研究充分证明,多巴胺通路是控制飞蝗聚群行为转变的关键分子机制。多巴胺是动物和人类大脑中含量丰富的儿茶酚胺类神经递质,调控中枢神经系统的多种生理功能,与情欲、感觉、运动密切相关。该团队最先发现,多巴胺及其合成过程中的关键基因是调控飞蝗聚群行为的重要机制(PNAS,2011)。进一步研究发现,多个microRNAs通过参与多巴胺的代谢或者信号转导通路调节聚群行为(PLoS Genet.2014;Nat. Commun., 2018)。近期与河北大学陈兵等合作研究则发现,一个顺式调节苯丙氨酸羟化酶基因转录的长链非编码RNA(PAHAL)通过正反馈精确调控多巴胺的合成代谢和聚群行为响应(PLoS Genet.2021)。因此,聚群行为调节过程中的多巴胺生成可能由一个复杂的调控网络精确控制。但是,多巴胺作为重要的神经递质,它的生成或者修饰是否会引起蝗虫群聚效应的改变尚不清楚。

实际上,动物的聚群行为和类似社会性行为可以响应环境变化在数十分钟内发生逆转,这需要非常高效精准的调控机制,包括在翻译后水平特别是翻译后修饰水平的调控,但生物体具体如何修饰调控这些神经分子(包括多巴胺)的活性以协调行为反应,从而应对复杂多变的环境,这方面还知之甚少。

最近,河北大学和中国科学院动物研究所的康乐及陈兵作为共同通讯编辑在National Science Review在线发表题为“Sulfation modification of dopamine in brain regulates aggregative behavior of animals”的研究论文。该研究发现了一种调节行为可塑性的新机制,即神经递质特别是多巴胺的硫酸化修饰(sulfation,一种II相代谢修饰),改变多巴胺的活性,高效调控飞蝗聚群行为;更重要的是,这种修饰系统对聚群类社会性行为的调节从低等动物(线虫)到高等动物(老鼠)都是保守高效的。

大脑中发生硫酸化修饰时,磺基转移酶(sulfotransferase)催化添加磺酸基(SO32-)到底物分子上,完成底物分子的硫酸化修饰,该磺酸基来自专一供体3-磷酸腺苷5-磷酸硫酸(PAPS)。他们的研究发现,PAPS合成过程有效诱导了蝗虫的聚群行为转变:遗传或化学抑制PAPS合成促使行为从群居型转变为散居型。相反,外部PAPS注射促进了散居型蝗虫的聚群行为。对硫酸化催化过程进行遗传的或药理学的干预会导致显著的散居效应。对底物特异的磺基转移酶的分析表明,硫酸化的神经递质广泛参与行为反应。经过多轮实验验证后,多巴胺最终被确定为大脑中关键的硫酸化修饰结合底物,并且硫酸修饰增强了游离多巴胺介导的聚集行为。同时,硫酸化修饰系统对聚群类似的社会性行为的调控作用在秀丽隐杆线虫和小鼠中也得到充分的证实。

该发现首次从代谢修饰层面揭示了硫酸化修饰作为一种高效调节神经递质分子活性控制行为转变的新机制,同时证明多巴胺及其合成途径过程有多种方式调节动物的群聚行为。本研究也是第一次发现硫酸化修饰系统是参与动物行为可塑性调节的一般性机制,特别是在调节社会性行为方面作用显著。过去报道多巴胺的硫酸化修饰主要发生在胃肠系统以促进消化或解毒,而本研究发现了大脑屏障内痕量多巴胺的硫酸化修饰及其高效的行为学调节功能,无疑拓展了人们对神经递质修饰功能的新的认识。总之,该发现一方面揭示了控制飞蝗聚群发生的行为学奥妙,为蝗灾防治提供了借鉴,另一方面,多巴胺途径异常与人类的许多疾病密切相关,比如帕金森、阿尔茨海默病、抑郁症及一些其他的行为上异常,因此,该发现揭示了一些类似神经和行为疾病的分子基础,为药物开发用于行为疾病治疗提供新启示。

陈兵和童希文为本论文的共同第一编辑,康乐院士与陈兵教授为共同通讯编辑。该研究得到了国家自然科学基金和河北省高校百名优秀创新人才支撑计划等项目的资助。

文献来源:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab163/6362627?guestAccessKey=f3cae47f-7df6-4d08-9bad-1c44c090d827

(生命科学学院、科学技术处供稿)

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