2018年10月12日

在钙波上冲浪:幼虫变成苍蝇的旅程

国家生物科学中心

埃里克·卡尔，在他深受喜爱的儿童读物中饥饿的毛毛虫，记录了一只贪吃的毛毛虫变成美丽的蝴蝶的过程。对一个科学家来说，变形提出了许多未解决的问题。毛毛虫怎么知道什么时候该停止进食?如果他没有吃这么多，他还会继续做茧吗?

班加罗尔国家生物科学中心的一组研究人员现在已经发现了决定幼虫(尤其是在营养受到挑战的情况下)产卵决定的神经元类型。盖提·哈桑(Gaiti Hasan)教授领导的研究小组对果蝇的这个问题进行了研究，以了解它们是如何整合内部和环境的营养线索来做出蛹化决定的。

和许多昆虫一样，果蝇也会经历发展的里程碑。幼虫从卵中孵化，贪婪地进食，直到达到临界体重。达到临界重量促使幼虫蛹化，即使它们随后挨饿。然而，幼虫必须对营养不良的条件做出反应，并确保在蛹期发育过程不会受到阻碍，这是幼虫准备转变为成体的关键阶段。这项研究最近发表在神经科学杂志他发现了在营养限制条件下信号发育的神经元和分子开关。

此前来自同一小组的研究发现了一系列的神经元在幼虫腹神经节中，在缺乏蛋白质的饮食中调节蛹的生长。苍蝇的腹神经节类似于脊椎动物的脊髓。研究发现，这些神经元本质上具有谷氨酸能，产生并释放兴奋性神经递质谷氨酸，与邻近神经元进行交流。

一天晚上，这篇论文的主要作者之一Siddharth进行了一项实验，他激活了蝇幼虫的特定腹神经节谷氨酸能神经元，观察到它们过早地成蛹，但成年后死亡。一开始只是一个偶然的实验，结果成了这项研究的跳板。

西达尔斯确信腹神经节的某些谷氨酸能神经元是这种发育转换的中心，于是决定测试这些神经元是否能感知环境营养物质的流失。通过模拟培养皿中的营养剥夺，Siddharth发现幼虫后期腹神经节的谷氨酸能神经元表现出特征钙振荡。这些钙瞬态是神经元交流的典型语言单位。然而，钙瞬变在幼虫发育早期的神经元中是不存在的，这表明这种反应是阶段特异性的。

谷氨酸能神经元嵌套在幼虫神经元网络的深处。那么，它们是如何感觉到外部食物中营养物质的流失呢?作者指出，这是由胆碱能神经元完成的，这是一类修饰幼虫体壁并产生神经递质乙酰胆碱的神经元。具体来说，胆碱能神经元在一种名为Slimfast的氨基酸转运体的帮助下，感知到精氨酸氨基酸的丢失。用精氨酸作为替代品，胆碱能神经元向谷氨酸神经元传递营养信息，从而产生钙波。更复杂的是，这些谷氨酸能神经元不仅有接收胆碱能输入的受体，而且还被发现含有捕捉神经肽信号的受体。其他研究小组已经表明，在饥饿时，大脑和其他器官会产生神经肽。谷氨酸能神经元因此整合来自环境和内部组织的营养信息。

这篇论文的另一位主要作者Shlesha想知道是哪些分子产生了钙瞬态。从谷氨酸能神经元的成像和基因测序实验显示，钙瞬时是由质膜上的离子通道调节的，以及位于细胞内的细胞间隔内的离子通道，如肌醇-三磷酸受体(IP3R)和钙传感器称为STIM。事实上，我们发现STIM功能调节谷氨酸能神经元中离子通道基因的表达，从而调节其兴奋性商。

最后，作者试图了解谷氨酸神经元中的钙波是如何发出幼体发育决定的信号的。“当缺乏蛋白质时，钙的瞬态产生在某些glutamatergic神经元。这是幼虫大脑深处的神经元释放胰岛素样神经肽的信号。已知胰岛素样肽的释放可以推动幼虫成蛹，”该小组的负责人Gaiti Hasan教授解释说。