河北大学康乐/陈兵发现动物群居的潜在原理：脑中多巴胺的硫酸化修饰起重要作用

行为可塑性和潜在的神经元可塑性代表了动物应对环境刺激的基本能力。行为可塑性由复杂的分子网络控制，这些网络在不同层次的调控下起作用。虽然已经发现各种分子参与了跨物种的可塑性行为的调节，但对于生物如何协调这些分子的活动作为对不同环境的连贯行为反应的一部分，知之甚少。

2021年9月2日，河北大学，中国科学院动物研究所，华南师范大学等多单位合作（河北大学为第一单位），康乐及陈兵共同通讯在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动物行为可塑性的机制，涉及大脑中的分子硫酸化，通过磺基转移酶 (ST) 催化添加来自专性供体 3'-磷酸腺苷 5'-的磺酸基 (SO3) 修饰底物分子磷硫酸盐 (PAPS) 到底物上。

该研究探索了迁徙蝗虫的聚集行为，它们以种群密度引发的极端相变可塑性而闻名。 PAPS 生物合成过程有效地诱导了蝗虫的行为转变：PAPS 合成的抑制促使行为从群居状态转变为独居状态；相比之下，外部 PAPS 剂量促进了独居蝗虫的聚集。硫酸化催化中的遗传或药理学干预导致显著的孤立效应。对底物特异性 ST 的分析表明硫酸化神经递质广泛参与行为反应。大脑中的多巴胺最终被确定为与硫酸盐结合，并且硫酸盐结合增强了游离 DA 介导的行为聚集。秀丽隐杆线虫和小鼠中的类似结果表明硫酸化可能更广泛地参与动物聚集的调节。这些发现揭示了一种可能通过硫酸化介导的神经网络修饰，有效调节动物社会行为可塑性的一般机制。

另外，2020年8月12日，中国科学院动物研究所康乐及王宪辉共同通讯在Nature 在线发表题为“4-Vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts”的研究论文，该研究使用行为分析，电生理记录，嗅觉受体表征和野外实验，证明了4-乙烯基茴香醚（4VA）（也称为4-甲氧基苯乙烯）是蝗虫（Locusta migratoria）的聚集信息素。不论年龄和性别，群居蝗虫和孤立蝗虫都强烈被4VA吸引。尽管它是专门由群居蝗虫释放的，但4到5个孤立蝗虫的聚集可以触发4VA的产生。它特别引起触角上的碱度感官反应。该研究还确定OR35为4VA的特定嗅觉受体。使用CRISPR–Cas9敲除OR35显著降低了触角的电生理反应，并削弱了4VA行为吸引力。最后，野外诱捕实验证明了4VA对实验种群和野生种群的吸引力。这些发现确定了蝗虫聚集信息素，并为开发新型蝗虫控制策略提供了见识（点击阅读）。

动物的行为可塑性是一种普遍现象，其中生物体对一系列环境变化做出反应，表现出不同的行为特征。动物在多个认知、感觉、社交和运动层面表现出行为可塑性。行为可塑性与神经元可塑性、学习和记忆有关，因此是动物的基础 。行为可塑性的缺陷与许多行为异常和神经系统疾病有关。

行为可塑性可由不同分子调节，例如无脊椎动物和脊椎动物中的神经肽、激素和单胺。在秀丽隐杆线虫中，这些分子会影响其行为的许多方面，例如食物选择决策、聚集和运动。例如，编码神经肽 Y 受体的 npr-1 基因调节孤独或社会运动行为。另一种神经肽 F 及其受体也调节迁徙蝗虫（昆虫纲：Locusta migratoria）蜂拥而至的运动活动。单胺类神经递质如酪胺、多巴胺 (DA) 和 5-羟色胺也参与蝗虫物种的聚集行为。

具体来说，大脑内的 DA 在调节活动能力、动机、奖励、注意力和成瘾方面发挥着广泛的作用。DA 生物合成代谢和信号通路对于调节迁徙蝗虫的嗅觉吸引力和移动性至关重要。然而，对蝗虫行为聚集的神经元调节的研究在不同物种中给出了各种有时相互矛盾的机制解释，因此仍然缺乏支持行为可塑性的基本调节机制。例如，DA 在调节两种臭名昭著的蝗虫，迁徙蝗虫和沙漠蝗虫 (Schistocerca gregaria) 的聚集方面发挥着不同作用。另一种神经递质血清素在这两个物种中也表现出不同的行为作用。虽然行为反应中涉及的分子或其水平可能在物种之间进化上存在差异，但协调这些分子及其网络活动的机制是否仍然是保守的，仍然难以捉摸。

迁徙蝗虫是一种成熟的极端相变可塑性模型，根据种群密度显示出两个不同的行为阶段，即神秘的独居阶段 (S) 和蜂拥而至的群居阶段 (G)。低密度发育的S期蝗虫以嗜睡和同种排斥为特征。相比之下，G 期蝗虫以高密度发育，并表现出高流动性和同种吸引力。因此，G蝗虫可以聚集并进行集体迁徙。已经从不同方面研究了调节蝗虫相变的分子和神经机制。几种重要的生物胺，如血清素、多巴胺和章鱼胺，已被归因于蝗虫聚集行为的调节。cAMP 依赖性蛋白激酶 A 是一种胺能信号传导中的信号转导蛋白，也参与蝗虫聚集的调节。

与其表达水平的变化相比，潜在分子的分子修饰对于行为可塑性的微调可能更为重要。DNA 或 RNA 修饰与蝗虫相变有关。G 和 S 蝗虫的蛋白质组学分析表明 PAPS 合酶 (PAPSS) 是大脑中两个阶段之间高度差异表达的蛋白质之一。PAPSS 是硫酸化过程中的限速酶，硫酸化是一种可逆的化学修饰，包括蛋白质、碳水化合物、激素和生物胺。

硫酸化的催化过程包括两个主要步骤，即通用硫酸盐供体 3' 磷酸腺苷 5'-磷酸硫酸盐 (PAPS) 的合成，其中硫酸根离子(SO42-)被转化为 PAPS，以及磺酸盐部分(SO32-)在 PAPS 中引入受体分子的结构。硫酸化对于许多生物过程至关重要，例如，分子识别、信号转导和激素调节。硫酸化参与代谢、发育和生理以及许多病理生理过程。一些关于硫酸化参与神经元和行为调节的证据正在出现。然而，大脑相关硫酸化修饰在动物行为调节中的作用仍然未知。

该研究假设硫酸化可能涉及特定神经元相关分子的修饰，这些分子重新连接控制由蝗虫种群密度引起的行为可塑性的信号网络。为了验证这一假设，该研究探索了硫酸化代谢途径在蝗虫行为调节中的作用，包括 PAPS 的生物合成和硫酸化/脱硫。该研究揭示了硫酸盐化不仅在昆虫物种中而且在秀丽隐杆线虫和小鼠中在调节行为聚集中的有效作用。此外，该研究将 DA 鉴定为大脑中关键的硫酸盐结合底物，并展示了 DA 如何被硫酸化以促进聚集效应。

参考消息：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab163/6362627?searchresult=1