Neuron：揭示信息素调控学习行为的分子与神经机制
2019-11-03 不详 网络
胰岛素和胰岛素类肽（Insulin-like peptide， ILP）在神经系统中广泛表达，参与调节包括学习和记忆在内的多种生理功能，并且对于使用嗅觉系统来寻找食物的生物是至关重要的。信息素浓度表征群体密度，而群体密度是对食物供应至关重要的社交信息，所以胰岛素和ILP被认为是调节信息素介导的嗅觉学习行为的候选分子之一。
学习是一种重要的行为。环境因素和神经系统的状态能够影响动物的学习行为。同一物种的种群密度是非常重要的环境因素之一，它影响动物的食物摄取。物种个体间的社交可以通过多种交流方式来完成。信息素(Pheromone)又称外激素，它作为同一物种个体之间交流的重要信号之一，是由个体分泌至体外，被其他个体由嗅觉感受器官察觉，使其他个体的某些行为、生理或心理状态等改变的物质。先前报道显示信息素可以调节蜜蜂、小鼠的学习行为。此外，有研究表明人类处于压力应激状态下时，其汗液中所含的化学气味会改变周围其他人的认知功能。这些早期的研究表明信息素能够调节动物的学习行为，但信息素是如何调控学习行为的神经机制尚未被阐明。
胰岛素和胰岛素类肽（Insulin-like peptide， ILP）在神经系统中广泛表达，参与调节包括学习和记忆在内的多种生理功能，并且对于使用嗅觉系统来寻找食物的生物是至关重要的。信息素浓度表征群体密度，而群体密度是对食物供应至关重要的社交信息，所以胰岛素和ILP被认为是调节信息素介导的嗅觉学习行为的候选分子之一。
秀丽隐杆线虫（C. elegans）神经系统相对简单，有302个神经元，是研究神经生物学的经典模式生物之一。线虫是目前唯一完成神经元连接组（Connectome）测定的生物体（Nature封面文章 | 历时八年，线虫神经联结图谱全解析），为研究神经网络如何调控生物体提供重要信息。线虫在实验室中以微生物大肠杆菌（E. coli）OP50为食，但是会轻度的喜欢铜绿假单胞菌（P. aeruginosa 14， PA14）的气味。线虫进食PA14细菌后会学习躲避该细菌的气味，这是因为PA14会导致线虫慢性感染，这是一种与加西亚效应（Garcia effect）高度相似的学习能力，能够帮助生物体规避危害食物。而线虫这种由喜欢到厌恶的转变是受多种胰岛素类肽调控的。同时，线虫通过释放多种蛔甙信息素（Ascaroside pheromones）来进行个体间交流，以指导其发育、生理代谢和行为等。
美国哈佛大学进化生物学系与脑科学中心的Yun Zhang教授团队的吴太红博士等研究人员在Neuron杂志上以长文形式发表了题为Pheromones modulate learning by regulating the balanced signals of two insulin-like peptides的文章。该研究以秀丽隐杆线虫为模式生物阐述了信息素调控学习行为的分子与神经机制。通过运用遗传学、行为学、单拷贝基因整合技术和在体钙成像等研究手段，研究人员发现信息素通过调节两个胰岛素类肽INS-4与INS-16的表达平衡来抑制线虫对病原菌PA14的学习，而且信息素能够加快对食物的摄取以及增强线虫对病原菌的抵抗力。
吴太红等发现在训练线虫的培养基中加入线虫信息素混合物，会导致野生型线虫对PA14的学习能力完全丧失。Yun Zhang教授团队先前研究发现胰岛素信号通路调控该学习行为。所以，研究人员对与该信号通路相关联的ILP基因进行筛选，发现将ins-4或ins-16基因突变后可致线虫丧失学习能力。有趣的是，吴太红等发现ins-4与ins-16的双突变线虫能够正常学习。更令人惊讶的是，作者还发现INS-4和INS-16之间的表达平衡对该学习行为至关重要，扰乱这两种胰岛素类肽的表达平衡会导致线虫的学习能力丧失，这是对神经肽功能研究的重要新发现。该机制的生理学意义在于：当线虫群体密度过高时会抑制其躲避低质量的食物，促使其对食物的摄取并增强其对致病细菌的抵抗力，在与同类的竞争中争取更多的食物，以提高其生存希望。
综上所述，吴太红等的研究首次发现信息素调控学习行为的分子与神经机制，即信息素通过调节两个胰岛素类肽的平衡来协调线虫的学习，同时信息素能够调控进食与增强免疫功能，以促进其生存。信息素调控学习行为不是线虫独有，在小鼠以及人类中有类似的现象，但其调控的意义一直不清楚。该研究为其提供了一个新的思路，说明学习行为不全是动物首选的一种行为，而是由环境因素以及学习行为是否存在好处所决定，这是对学习行为在生物进化和生物幸存中的作用更深层意义的一个崭新认识。同时，该分子机制为高等动物中类似的行为调控提供了一个可以进一步研究的假说。
原始出处：
Taihong Wu,Fengyun Duan,Wenxing Yang,et al.Pheromones Modulate Learning by Regulating the Balanced Signals of Two Insulin-like Peptides.Neuron.Published:October 29, 2019DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.006
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