秀丽隐杆线虫ASI神经元off-response的环路与分子机制

The off-response of a neurons refers to the fact that some neurons stay quiet during stimulation while get excited upon the withdrawal of the stimulation. The off-response is a ubiquitous phenomenon in both vertebrate and invertebrate, and plays an important role in fine-tuning the behavior and maintaining the internal homeostasis of the animal. The Caenorhabditis elegans is an ideal model for dissecting the stimulus input-behavior output due to its comparatively simple nervous system. Previous studies suggested ASI sensory neurons display the off-response calcium transient during the noxious stimulus, but the underlying molecular and neural circuit mechanisms are poorly understood. Here we propose to use microfluidic chip calcium imaging, optogenetics, chemical genetics and molecular biology techniques, to explore the circuit and molecular mechanisms underlying the noxious-evoked off-response of ASI neurons in Caenorhabditis elegans. This project will pave the way to better understand the mechanisms of neuronal off-response.

神经元的off-response是指神经元在刺激过程中不表现兴奋，而在刺激撤走瞬间表现兴奋。Off-response是脊椎动物和无脊椎动物神经系统中普遍存在的现象，对刺激信号应答的精细调节以及维持动物自身的稳态起着重要的作用。秀丽隐杆线虫以其神经系统相对简单成为解析刺激输入-行为输出的理想模型。我们的前期研究发现秀丽隐杆线虫ASI神经元在伤害性刺激过程中呈现off-response反应，但是隐藏在该现象下的环路机制和分子机制并不清楚。因此，本项目拟采用微流控钙成像，光遗传和化学遗传学，分子生物学等技术手段，研究秀丽隐杆线虫ASI神经元在伤害性刺激诱导的off-response的环路和分子机制。本研究将加深对神经元off-response调控机制的理解。

off-response类神经元表现为刺激过程中为静息状态，而刺激撤走的时候兴奋。对于隐藏在这种现象下的分子机制和环路机制并不清楚。因此我们采用off-response特性神经元ASI作为研究对象，研究在伤害性感受过程中ASI神经元所涉及到的分子和环路机制。通过在感觉神经元中表达破伤风毒素TeTx阻断神经递质的释放以及表达抑制特性的光遗传蛋白ArchT，我们发现感觉神经元ADF，ASER以及ASH对ASI神经元存在抑制作用，通过特定基因突变体的筛选，确定ADF是通过释放五羟色胺作用RIC上的SER-1受体从而促进RIC神经元的章鱼胺神经递质的释放，释放的神经递质作用于ASI神经元上的SER-3和SER-6受体，从而抑制ASI的活性；感觉神经元ASER通过旁分泌的方式促进RIC神经元的活性，活化的RIC神经元释放5-HT作用ASI神经元的受体SER-3和SER-6,从而抑制ASI的活性。ASH神经元通过紧密连接的方式激活RIC中间神经元，同样的通过章鱼胺信号通路抑制ASI神经元的活性。当同时阻断ADF,ASER以及ASH神经元后，ASI的钙反应，仍然存在延迟作用，这就说明可能存在其它分子介导ASI神经元的快速反应，通过对可能介导的的离子通道的筛选以及回复实验，我们发现阳离子选择性通道蛋白OCR-2和OSM-9介导ASI钙信号的快速反应。该课题的研究结果证明了off-response类神经元的活性是由两部分组成，第一部分是由神经环路介导的慢速反应；第而部分是由离子通道介导的快速反应。该结果为人们认识ASI神经元的兴奋特性奠定了理论基础。