线虫逃避植物激素水杨酸甲酯的分子和神经回路机制研究

Methyl salicylate (MeSa) is a stress hormone released by plants under attack by pathogens or herbivores. MeSa has been shown to attract predatory insects of herbivores and repel pests. The molecules and neurons underlying animal’s response to MeSa are not known. Here we found that the nematode Caenorhabditis elegans exhibits a strong avoidance response to MeSa, which requires the activities of two closely related neuropeptide receptors NPR-1 and NPR-2 that are expressed in the RMG inter/motor neurons and the AIZ interneurons, respectively. We propose that the AWB and ASH sensory neurons form a neural circuit with RMGs and AIZs to regulate the MeSa avoidance behavior. We also found that gap junctions are required for and isolated seven mutations that specifically affect the MeSa avoidance. To further understand the underlying mechanism of this behavior, we propose three specific aims: first, we will investigate how npr-1 and npr-2 act in different neurons to regulate the MeSa avoidance; second, we will dissect how the MeSa avoidance neural circuit functions; third, we will clone and characterize new genes regulating this behavior. The completion of these studies will provide new insight into the neural circuit mechanisms controlling animal behaviors.

哪些分子和神经回路影响动物嗅觉行为是一个重要问题。水杨酸甲酯(Methyl salicylate, MeSa)是植物应对病菌和害虫攻击的重要应激激素，能趋避害虫和吸引益虫。但是，这些行为的分子和神经机制有待阐明。我们发现秀丽线虫强烈逃避MeSa，且该逃避行为受多个基因影响。根据分析，我们提出了一个受神经肽受体NPR-1和NPR-2调控，由两个感觉神经元和两个中间神经元组成的介导MeSa 逃避行为的神经回路模型。我们还发现间隙连接可以影响该行为，并筛选得到了七个特异影响该行为的新突变。为了深入了解线虫逃避MeSa的分子和神经机制，我们提出三个研究目标：第一，通过分子遗传学手段，研究NPR-1和NPR-2如何在回路的神经元里调控MeSa逃避行为；第二，通过杀死，抑制及灭活回路里的神经元和神经连接，研究回路的工作机制；第三，通过克隆鉴定影响MeSa逃避行为的新突变，深入了解该行为的分子基础。

动物以复杂的行为应对环境气味，调控这些行为的基因，分子，神经元，神经网路机制是神经科学研究的主要问题。水杨酸甲酯（methyl salicylate，MeSa）是一种挥发性的植物激素。当植物受到病原体感染或食草动物侵袭时将会主动释放MeSa，可以加强植物的系统性抗性。MeSa对植物害虫和益虫也有奇特的行为效应：害虫受MeSa排斥，而益虫则可以被MeSa吸引。目前人们对MeSa影响动物行为的分子机制跟神经机制尚不清楚。前期我们发现野生型线虫对于MeSa表现出强烈的逃避反应。为了研究MeSa的作用机制，我们进行了以下工作。首先，我们筛选获得了对MeSa不逃避的线虫突变体，分离出了unc-79和unc-80基因的多个功能缺失突变。UNC79和UNC80是保守的钠离子通道NALCN的两个重要调控蛋白。我们还分析了unc-79和unc-80在神经元的表达，通过转基因实验鉴定了unc-80影响线虫逃避行为所主要作用的神经元。这部分工作表明线虫的NALCN通道复合体作用于一组中间神经元上调控线虫的行为，而且不同行为受NALCN通道的影响有区别。在这些工作的基础上我们筛选了抑制unc-80功能缺失突变体运动缺陷的线虫突变体，分离出了twk-40基因的功能缺失突变。twk-40编码和人类KCNK9同源的双孔钾离子通道，KCNK9作用于哺乳动物的多种神经元中调控其活性。我们研究了TWK-40与NALCN的互作关系。通过转基因实验，鉴定了twk-40所表达的神经元，以及影响运动行为所主要作用的神经元。利用CRISPR/Cas9 技术，我们还得到了TWK-40功能增加的突变体。这些工作表明TWK-40和NALCN相互拮抗，共同协调神经元的活性，影响不同的动物行为。通过这些工作，我们发现了NALCN作用的新分子机制，并揭示了NALCN与TWK-40相互作用的遗传和神经元机制。