Nature ：汪菲/王开宇等揭示昆虫产卵的神经生物学机制

来源：BioArt

昆虫主要通过产卵来产生后代，相信大家对这一点并不陌生。但大多数人可能并不了解昆虫的产卵行为究竟是怎样一个过程。产卵对于雌性昆虫来讲，是一个极其耗能的任务。通常情况下，成熟的卵在形成后并不会立刻被雌性产出，而是储藏在其生殖系统中。只有当雌性与雄性成功交配并获得遗传学物质之后，这些卵才会经过受精之后被产出体外。同时，为了提高后代的存活率，交配后的雌性也不会随意地将受精卵排出体外，它们会反复比较各种环境，精挑细选之后将受精卵产在最适合后代生长的地方。

那么，昆虫究竟通过怎样的神经生物学机制来决定其产卵的时刻和地点呢？为了解答这一问题，2020年2月26日，来自美国霍华德休斯医学院Janelia研究园区的Barry Dickson教授实验室（共同一作为汪菲和王开宇）在Nature上发表文章 Neural circuitry linking mating and egg laying in Drosophila females ，利用黑腹果蝇这一种遗传学模式生物进行了研究，首次在神经环路层面解释了控制昆虫产卵行为的生物学机制。

首先，研究者提出了一个简单的假设：果蝇的产卵行为是由一群或者多群特殊的神经细胞控制。如果增强这些细胞的活性，雌蝇将更容易进行产卵。相反，如果降低这些细胞的活性，雌蝇的产卵行为将被抑制。

那究竟如何去寻找这样的细胞呢？研究者首先构建了许多split-Gal4果蝇品系来标记果蝇神经系统中不同类型的细胞。利用这些split-Gal4将各种工具蛋白表达在相对应的细胞类型中，研究者可以对雌蝇脑中不同细胞的活性进行操控，并同时记录雌蝇产卵行为的变化。经过大规模的行为学筛查，研究者在果蝇大脑中发现了一群对产卵行为至关重要的神经细胞（原文图1）。如果人为地将这群细胞激活，雌蝇会立刻开始产卵；相反，如果将这群细胞的活性抑制，雌蝇则会完全丧失产卵的能力。基于上述结果，作者将这群细胞命名为控制产卵的下行细胞，简称oviDN（oviposition descending neuron）。

正如之前所提到，雌蝇在交配之前很少产卵，它们会将大量成熟的卵储备在卵巢中。而当雌蝇与雄蝇成功交配之后，雌蝇会迅速进入产卵模式，寻找合适的地点并产出大量的受精卵。这些现象提示，与oviDN相关的产卵神经环路活性会受到雌性交配情况的影响。

之前的一些研究已经表明雌蝇的交配情况是由一条特殊的神经通路所编码。在交配之前，这条通路保持较高的活性，而雌蝇很少产卵。交配之后，这条通路的活性迅速降低，而雌蝇也开始产卵。由于导致该通路活性变化的是一种由雄蝇产生并经过交配传至雌蝇体内的性短肽（sex-peptide），所以这条通路也被称为性短肽通路（sex-peptide pathway）。

利用遗传学工具，研究者在未交配的雌蝇中抑制这条性短肽通路的活性。结果发现，这些雌蝇虽然尚未交配，但它们也像交配后的雌蝇一样，产出了较多的（未受精）卵。但是如果在抑制性短肽通路的同时也将oviDN的活性阻断，这些雌蝇又会停止产卵。所以他们推测oviDN是性短肽通路的下游，而oviDN的活性受到性短肽通路的抑制性调节。

为了检验这种可能性，研究者利用了Janelia研究园区构建的果蝇全脑突触连接图谱，在雌蝇大脑中重构了oviDN和性短肽通路的突触连接网 （原文图3, 4）。他们发现，两者之间并没有直接的突触连接；相反，性短肽通路可以借助于中间神经细胞来抑制oviDN的活性。因此，在雌蝇交配之前，性短肽通路的高活性会导致oviDN接收到较强的抑制，从而降低雌蝇产卵的可能性。而在交配之后，性短肽通路的活性降低，作用于oviDN上的抑制也随之减小，所以雌蝇更倾向于产卵。

除了上述的抑制性输入外，oviDN也接受许多其它上游细胞的输入（原文图4），提示除了交配情况之外，oviDN还会整合其它产卵的相关信息。之前提到，正常交配后的雌蝇会将卵产在相对适合后代生长的地方，那么oviDN是否会整合相关的感觉信息呢？为了研究这一问题，研究者开展了在体钙影像实验，让交配后的雌蝇站在不同的基质上，并同时观察oviDN的活性变化。结果显示，当雌蝇站在适合产卵的基质上面时，oviDN的活性会上升；但如果雌蝇所在的基质不适合产卵，oviDN的活性反而会下降。研究者并进一步找到了传递这一信息的上游细胞oviEN（oviposition excitatory neuron）。

总之，这项研究首次揭示了协调果蝇交配和产卵的神经环路。