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RIM神经元在调节线虫运动中的新功能

2020-12-10阅读(994)

RIM神经元在调节线虫运动中的新功能

论文摘要

作为经典的模式生物,秀丽隐杆线虫被广泛用于解析神经回路和相关基因调节行为发生的生物学机制。在自由运动过程中,线虫在大部分时间里保持向前运动,并伴随着少数随机发生的向后运动。已有研究发现参与起始向后运动的神经元是线虫改变运动方向和产生躲避行为所必需的,但是调控线虫向后运动的神经回路还存在很多盲区亟待探索。现有的研究表明,AVA、AVE和AVD中间神经元在起始向后运动过程中发挥着关键作用,当使用激光消除这些神经元时,线虫向后运动的频率显著降低。在线虫运动过程中,这些中间神经元接收来自上游感受神经元的信号后不断改变自身神经元活性进而调整线虫的运动状态。感觉神经元可以通过直接激活AVA或者转激活其他中间神经元如AIB、AIY和RIM驱动向后运动,其中RIM在这个过程中起到了整合外界信号和介导向后运动发生的作用。然而RIM在向后运动神经回路中的功能非常复杂,RIM通过突触连接释放神经递质酪胺抑制AVB神经元活性从而使线虫停止向前运动,与此同时RIM通过间隙连接能够迅速激活AVA/AVE神经元驱动线虫向后运动。此外,有研究表明删除RIM和抑制RIM神经元中酪胺合成都可以显著增加线虫自发的向后运动发生频率,说明RIM具有抑制线虫向后运动发生频率的功能。综上可知,RIM神经元在调控向后运动时有双重功能,而其调控机制还没有被研究清楚。因此本文致力于系统地探索自由运动过程中RIM神经元对线虫向后运动的双重调控功能及其分子机制。通过光遗传学和激光消除技术特异的激活或删除RIM神经元实验,我们证实了RIM神经元在线虫向后运动发生过程中发挥着双重功能。激活的RIM神经元首先表现出瞬时效应:RIM通过间隙连接快速活化AVA而驱动向后运动,这一过程依赖于在RIM神经元中表达的联接蛋白INX-1和在AVA/AVE神经元中表达的UNC-7和UNC-9;而后,RIM神经元表现出慢性效应:RIM通过突触连接释放神经递质谷氨酸,这一信号被AVA/AVE中表达的谷氨酸受体AVR-14接收后,去激活AVA/AVE神经元进而抑制线虫向后运动的发生。这种双重功能可以使线虫对外界刺激保持高强度反应,同时通过负反馈辅助AVA神经元快速回复到静息状态而不至于长时间保持兴奋状态导致神经元脱敏或者神经元功能损害。研究表明,AVR-14是一种谷氨酸门控氯离子通道,其激活后介导细胞外氯离子内流诱导神经元超极化,从而抑制神经元活性。其同源基因在哺乳动物中还没有发现,但是在果蝇和其他种类线虫中都已被证实存在,但关于它在生物个体生理过程中发挥功能的报道却非常少。本研究详细阐明了RIM神经元调控线虫向后运动发生过程的分子机制,同时揭示了谷氨酸门控氯离子通道在调控运动神经回路中的作用,增加了我们对抑制性谷氨酸受体功能的了解。另外,抑制功能的发现填补了RIM神经元中谷氨酸功能研究的空白,完善了调控线虫向后运动的神经回路,也让我们更加充分地认识到神经回路的复杂性,功能多样性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 秀丽隐杆线虫作为模式生物在行为学研究中的优势
  •   1.2 以秀丽隐杆线虫为模型的行为学研究现状
  •     1.2.1 运动神经元的分布及功能
  •     1.2.2 不同类型的运动神经元调节线虫运动方向
  •     1.2.3 中心模式形成器（Central Pattern Generators,CPGs）参与调控运动的机制
  •     1.2.4 运动神经元参与调控运动节律的形成
  •   1.3 感受神经元和中间神经元介导行为的发生
  •     1.3.1 中间神经元发挥着整合和传递上游信号的功能
  •     1.3.2 感受神经元感受外界环境的变化
  •   1.4 RIM神经元功能的研究现状
  •     1.4.1 RIM神经元在运动神经回路中的功能
  •     1.4.2 RIM在自由运动的导航神经回路中的功能
  •     1.4.3 神经元之间突触连接和间隙连接的研究现状
  •     1.4.4 谷氨酸受体功能和分布的研究现状
  •     1.4.5 谷氨酸门控氯离子通道的研究现状
  •     1.4.6 AVR-14 受体的研究现状
  •   1.5 本课题研究的主要内容
  •   1.6 研究目的及意义
  • 2 材料和实验方法
  •   2.1 实验材料和仪器
  •     2.1.1 实验虫系
  •     2.1.2 实验仪器
  •   2.2 实验方法及原理
  •     2.2.1 线虫的培养
  •     2.2.2 转基因虫系建立
  •     2.2.3 建立外源DNA整合虫系
  •     2.2.4 特定神经元中基因干扰实验
  •     2.2.5 光遗传学
  •     2.2.6 运动跟踪
  •     2.2.7 钙成像实验
  •     2.2.8 自由运动钙成像实验
  •     2.2.9 激光消除神经元
  •     2.2.10 荧光成像
  • 3 实验结果
  •   3.1 实验结果
  •     3.1.1 RIM神经元的激活与后退行为的发生是相互偶联的
  •     3.1.2 RIM神经元驱动后退行为的发生
  •     3.1.3 RIM神经元促进后退的发生依赖于AVA神经元的功能
  •     3.1.4 RIM神经元通过间隙连接促进后退的发生
  •     3.1.5 RIM与 AVA之间的间隙连接由INX-1、UNC-7和UNC-9 参与组成
  •     3.1.6 RIM神经元抑制后退发生的频率
  •     3.1.7 RIM神经元抑制后退发生频率依赖于AVA和 AVE
  •     3.1.8 RIM神经元通过突触连接抑制后退行为发生
  •     3.1.9 RIM神经元抑制后退行为是由神经递质谷氨酸介导的
  •     3.1.10 RIM神经元抑制性功能需要谷氨酸门控氯离子通道AVR-14
  •     3.1.11 RIM调控后退发生频率的双重功能性
  •     3.1.12 抑制性谷氨酸信号是一种负反馈机制
  •     3.1.13 RIM 在调节后退神经回路中的双重功能性
  •     3.1.14 AVA/AVE神经元的去激活过程需要RIM的抑制性功能来辅助完成
  •     3.1.15 RIM神经元降低后退行为起始和终止的阈值
  •     3.1.16 RIM的双重功能性在调节运动适应性中发挥着重要作用
  •   3.2 讨论
  • 4 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录1 缩略词
  • 附录2 研究生期间完成的学术论文

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 周杰君

    导师: 刘剑峰

    关键词: 线虫,后退行为,谷氨酸受体,双重功能

    来源: 华中科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学

    单位: 华中科技大学

    分类号: Q42

    DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005033

    总页数: 114

    文件大小: 7856k

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