资讯分享
资讯分享

LURY-1神经肽信号调节秀丽隐杆线虫摄食和繁殖行为

2023-03-30 10:37

点击蓝字

关注我们


长久以来,调节秀丽隐杆线虫摄食和繁殖的机制一直是学者们研究的焦点。秀丽隐杆线虫存在雌雌同体和雄性两种性别,雌雄同体线虫可以自产卵子和精子,以自交的方式进行繁殖;而雄性线虫只能产生精子,需要与雌雄同体杂交才能进行繁殖。在有食物但没有雌雄同体的情况下,雄性会离开食物去寻找交配伴侣[1],这种行为是由性别共有及性别特异性神经回路的神经肽信号调节的,来自澳大利亚弗林德斯大学的Yee Lian Chew等人对此进行了研究。他们通过对秀丽隐杆线虫lury-1基因的研究发现,LURY-1神经肽信号调节秀丽隐杆线虫摄食和繁殖行为的新机制。


01


LURY-1神经肽和NPR-22受体主要表达位置

雌雄同体线虫尾巴呈现的是一种自前往后逐渐由粗到细的形态,雄性线虫尾巴呈现的是种扇形形态,这个扇形也是雄性的交配器官。NPR-22是LURY-1神经肽的受体,作者用绿色荧光蛋白GFP标记npr-22的表达位置,用Plury-1表达红色荧光蛋白mKate2对lury-1的表达部位进行了标记。结果发现,如图1A、B所示LURY-1和NPR-22在线虫的头部和尾部都有表达,并且如白色虚线所示,雄性线虫在尾部明显都要多于雌雄同体线虫。

图1  神经肽lury-1及其受体npr-22在秀丽隐杆线虫两种性别的不同细胞中表达


02


lury-1npr-22突变及过表达对线虫摄食的影响

线虫是通过咽泵反复运动进行进食的,如图2A所示,通过统计咽泵的运动次数可以评估线虫的摄食情况。为了研究lury-1和npr-22如何调节线虫的摄食情况,作者通过缺失突变使这两个基因失效从而得到lury-1(-)npr-22(-)线虫,另外对这两个基因过表达得到了lury-1(o/e)npr-22(o/e)线虫。由于野生型线虫的雄性比例只有0.2%,作者突变了him-5基因以达到获得雄性线虫的目的。结果如图2B-D所示,相对于野生型线虫,雄性线虫LURY-1的缺失使得摄食下降了,而雌雄同体线虫LURY-1的缺失反而使得摄食上升。过表达的lury-1(o/e)线虫中,雄性线虫和雌雄同体线虫的摄食都下降了。由此可见,lury-1的表达可以调节线虫摄食行为。

图2  LURY-1肽在雌雄同体和雄性线虫中调节咽泵进食的方式不同


03


lury-1npr-22突变及过表达对线虫交配的影响


为了研究lury-1对线虫繁殖的影响,作者使用了突变的线虫fog-2(-)。这种突变体只产生卵子而不产生精子,雌雄同体线虫只有在与雄性线虫交配的时候才会产生子代,如图3A所示。图3B的结果可以发现,相对于对照组来说,lury-1(-)突变体雄虫与fog-2(-)雌雄同体线虫交配成功率明显上升了,这表明lury-1可以调节线虫的繁殖。

图3  LURY-1肽调节雄性交配效率


04


进一步研究lury-1如何调节线虫摄食和交配

现有的研究已经表明雄性在没有配偶的情况下离开食物的速度比有配偶时更快[2],这表明对于雄性线虫而言繁殖比食欲更重要。为了进一步研究lury-1对摄食和繁殖的综合影响,作者将培养线虫平板按固定时间点食物区外的线虫轨迹进行了如下划分:NLF(never left food)、0~1cm、1~3.5cm、>3.5cm。通过比较6小时和8小时lury-1(-)线虫与野生型线虫离开食物的距离发现,lury-1(-)突变线虫明显要更远离食物,如图4A所示。此前有研究发现,进食状态调节了优先寻求食物与优先寻求配偶之间的行为转变[2],由图4B的结果可以发现,在暴露于fog-2(−)雌雄同体之前,将雄性线虫禁食16小时对两组线虫的交配没有统计学上的显著影响。最后为了验证这些表达lury-1的细胞是否为交配行为所必需的,作者使用上源生科提供的YLC124和YLC125两株线虫,用Plury-1表达半胱天冬酶蛋白,将头部和尾部表达lury-1的细胞进行消融,并且同样以上源生科提供的线虫YLC132 (him-5;pepEx013[Plury-1(3.4 kb)::mKate2,unc-122::gfp]),使用lury-1启动子表达mKate2作为对照转基因系,如图4C所示。结果显示,野生型线虫作为空白对照和YLC132对照两者无显著差异,与这两组对照相比,表达lury-1的细胞消融使得线虫交配的成功率显著下降了,说明这些细胞很可能促进了雄虫的交配行为。

图4  LURY-1信号调节离开食物的行为,但交配效率不受进食状态的强烈影响

最后,通过作者详细的研究分析我们可以发现,lury-1在雄性线虫表达要多于雌雄同体。它既表达于调节摄食的神经元中,也表达于调节交配的神经元中,它也可能调节雄性的交配行为。作者表示未来的研究方向旨在确定单个神经调节信号对秀丽隐杆线虫雄性尾部神经回路的综合行为影响,这将可能为突触和“突触外”信号如何共同作用来驱动性别二态性行为提供一个易于控制的模型。



参考文献

[1] Barrios A. Exploratory decisions of the Caenorhabditis elegans male: a conflict of two drives[C]. Seminars in cell & developmental biology. Academic Press, 2014, 33: 10-17.

[2] Lipton J, Kleemann G, Ghosh R, et al. Mate searching in Caenorhabditis elegans: a genetic model for sex drive in a simple invertebrate[J]. Journal of Neuroscience, 2004, 24(34): 7427-7434.

原文

Neuropeptide signalling shapes feeding and reproductive behaviours in male Caenorhabditis elegans.

DOI:10.26508/lsa.202201420


撰文:黄河

审校:陈岚彬

编辑:刘乐丰