汪菲/王开宇等揭示雌性果蝇拒绝交配的神经生物学机制

来源：BioArt

在动物界中，雄性个体为了捕获雌性个体的芳心，通常会展开一系列的求偶行为。而雌性个体则会通过判断来自于雄性的各种信息输入，并结合自身的实际情况，来决定是否接受雄性并进行交配。雌性个体的这种交配抉择是研究动物抉择行为的一个极好的范式。

在黑腹果蝇这一种模式生物中，在面对雄蝇的求偶时，雌蝇会产生两种截然不同的反应。如果雌蝇愿意接受交配，她会放缓移动速度并做出称为VPO (vaginal plates opening)的动作；相反，如果雌蝇拒绝交配，她也会做出一系列动作去提示雄蝇，其中最重要的一个动作就是将她的产卵器伸出(ovipositor extrusion，简称OE)。雌蝇接受交配行为(VPO)的神经环路机制已经被首次详细地阐述了（详见BioArt报道：Nature | 汪菲/王开宇等揭示昆虫产卵的神经生物学机制），那么雌蝇究竟通过怎样的神经环路机制来控制产卵器伸出这一拒绝交配的行为呢？

2020年8月13日，来自美国霍华德休斯医学院Janelia研究园区的Barry Dickson课题组（共同第一作者为汪菲和王开宇）在Current Biology发表了题为 Circuit and behavioral mechanisms of sexual rejection by Drosophila females的文章，首次在神经环路层面揭示了雌蝇拒绝交配的生物学机制。

在Dickson课题组近期的工作中，研究者先后找到了决定果蝇产卵行为的下行神经元和控制雌蝇接受交配行为的下行神经元。因此研究者提出了疑问：对于雌蝇伸产卵器这种拒绝交配的行为，是否也是由一群特异的神经元的活性所直接控制呢？

为了找寻这样的细胞，研究者使用了大量的split-Gal4品系，对不同的神经元进行操控，并同时观察雌蝇行为的变化，最终在雌蝇的大脑中发现了一对控制产卵器伸出行为的神经细胞DNp13。人为地利用光遗传学工具特异地激活DNp13细胞，雌蝇会立刻伸出产卵器；相反，如果将DNp13细胞的活性抑制，交配后的雌蝇将不再进行产卵器伸出的行为。

那么在环路层面上雌蝇这种拒绝行为是如何被调控的呢？DNp13会接受并整合哪些信息的输入呢？通过行为学观察，研究者发现雄蝇的求偶歌是诱发雌蝇产卵器伸出的一个重要感觉输入。在体钙成像实验进一步证实了DNp13会被雄蝇求偶歌中的pulse song激活（黑腹果蝇的求偶歌主要包含两种成分: 由短脉冲组成的pulse song以及由正弦波组成的sine song）。为了进一步解析编码求偶歌的听觉信息是怎样传输至DNp13，进而调控产卵器伸出的行为，研究者们利用了Janelia研究园区构建的果蝇电镜脑连接图谱，在雌蝇大脑中重构了DNp13及其上游细胞的突触连接网。他们发现，一群被称为pC2l的细胞是DNp13细胞最重要的听觉信息来源。利用遗传学方法特异性地标记并操纵pC2l的活性，研究者进一步证明了pC2l参与并调控了伸产卵器的行为，尽管pC2l并非是控制DNp13细胞活性的唯一输入。

在交配前后，雌蝇对于雄蝇的接受度会发生巨大的变化。雌蝇在交配之前更愿意接受雄蝇的求偶，极少伸出产卵器；然而交配之后，在面对雄蝇的求偶时，雌蝇会果断地伸出产卵器并且拒绝交配。那么这一拒绝行为究竟是如何受到雌蝇自身交配情况所调节的呢？研究者通过钙成像实验发现，DNp13细胞的活性在交配前后并没有发生很显著的变化。同时，行为学实验结果表明，当使用光遗传学工具激活DNp13细胞时，产卵期伸出这一行为更容易在交配过后的雌蝇中被诱导出。以上这些结果提示，编码交配情况的信息更有可能作用于DNp13细胞的下游环路，进而调控产卵器伸出行为。

通过高分辨率的行为学观察，研究者发现，在雌蝇伸出产卵器的过程中，产卵器中通常会储存一个卵。众所周知，雌蝇会在交配后开始大量产卵，并在一段时间内拒绝再次交配。因此研究者提出疑问：产卵器中的卵是否可以影响雌蝇产卵器伸出这一拒绝行为？为了验证这一假设，研究者运用多种遗传学方法阻止卵的生成或者排卵过程（成熟的卵从卵巢运输到产卵管的过程），发现这样的操作会导致雌蝇产卵器伸出行为显著性地下降。研究者进一步发现，一群分布在产卵管周围的pickpocket神经元可能负责感受卵的存在，并促进产卵器伸出。这些结果提示，产卵器伸出行为既受到DNp13细胞的控制，也受到雌蝇交配情况的间接调控。

 综上所述，这项研究首次揭示了雌蝇拒绝交配的一种行为的神经环路机制，为进一步理解雌蝇的交配抉择提供了基础。