清華新聞網(wǎng)9月16日電 嘔吐是一種復(fù)雜的生理保護(hù)反應(yīng)，涉及消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的協(xié)同工作。它通常由毒性物質(zhì)攝入、藥物副作用或疾?。ㄈ缰芷谛試I吐綜合征）等因素觸發(fā)。傳統(tǒng)上，研究人員依賴(lài)藥理學(xué)方法來(lái)探索嘔吐的分子機(jī)制，但由于涉及多系統(tǒng)協(xié)作，這一方法難以解開(kāi)復(fù)雜的神經(jīng)環(huán)路和跨器官通信的奧秘。面對(duì)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了果蠅（Drosophila melanogaster），這一具有強(qiáng)大遺傳操作工具的模式生物，以期通過(guò)其研究突破現(xiàn)有瓶頸。
9月12日，清華大學(xué)生命學(xué)院張偉課題組在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上在線(xiàn)發(fā)表題為“果蠅嘔吐行為的分子和神經(jīng)基礎(chǔ)”（Molecular and neural basis of vomiting behavior in Drosophila melanogaster）的研究論文。該研究首次發(fā)現(xiàn)黑腹果蠅具備嘔吐能力，并通過(guò)遺傳學(xué)與藥理學(xué)手段，系統(tǒng)解析出一條完整的“從輸入到輸出”的嘔吐調(diào)控環(huán)路。這一成果不僅填補(bǔ)了遺傳動(dòng)物模型的空白，也為人類(lèi)嘔吐相關(guān)疾病的研究與治療提供了新的思路。
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，果蠅在攝入黃連素（berberine）后會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)似嘔吐的行為，這與貓和狗對(duì)黃連素的反應(yīng)一致。黃連素是一種已知具有苦味和毒性的天然化合物，過(guò)去常用于果蠅味覺(jué)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將禁食一段時(shí)間的果蠅置于含黃連素溶液的玻璃管中，觀(guān)察到果蠅會(huì)反復(fù)伸展唇瓣，隨后將嗉囊中的食物通過(guò)唇瓣劇烈吐出，其劇烈程度和行為表現(xiàn)與人類(lèi)的嘔吐行為高度相似。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象并非黃連素特有。當(dāng)果蠅攝入砷、尼古丁等其他有害物質(zhì)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似嘔吐反應(yīng)。這表明，果蠅的嘔吐并非偶然現(xiàn)象，而是一種真正的防御性生理行為。
圖1.自由活動(dòng)的果蠅在進(jìn)食黃連素溶液后發(fā)生嘔吐
為闡明黃連素誘導(dǎo)嘔吐的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于TrpA1——一種在哺乳動(dòng)物和果蠅中均高度保守的化學(xué)感受器。TrpA1突變后，果蠅嘔吐行為顯著減少，表明TrpA1在嘔吐中起重要作用。然而，現(xiàn)有研究顯示黃連素?zé)o法直接激活TrpA1，提示其作用可能通過(guò)間接通路實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，敲除磷脂酶C（PLC）核心基因norpA的果蠅無(wú)法嘔吐，支持了TrpA1可能通過(guò)GPCR和PLC通路被激活的假設(shè)。研究人員隨后測(cè)試了多種GPCR激動(dòng)劑，發(fā)現(xiàn)僅乙酰膽堿（ACh）和膽堿能顯著誘導(dǎo)嘔吐。由于黃連素可抑制膽堿酯酶，團(tuán)隊(duì)使用兩種膽堿酯酶抑制劑進(jìn)行驗(yàn)證，均觀(guān)察到類(lèi)似效果。此外，針對(duì)毒蕈堿型乙酰膽堿受體（mAChRs）的激動(dòng)劑比煙堿型受體激動(dòng)劑更有效，提示mAChRs在這一過(guò)程中起主導(dǎo)作用。雙重突變實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，TrpA1和mAChRs（特別是mAChR-B和mAChR-C）協(xié)同工作，而非平行通路。基于此，研究提出了黃連素通過(guò)mAChRs-PLC通路間接激活TrpA1的模型。
圖2.黃連素刺激前腸上皮細(xì)胞釋放乙酰膽堿，間接激活TrpA1的分子通路示意圖
嘔吐行為的調(diào)控涉及多個(gè)細(xì)胞類(lèi)型。研究人員通過(guò)特異性敲低膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶（ChAT）基因，發(fā)現(xiàn)前腸上皮細(xì)胞是ACh釋放的主要來(lái)源。令人意外的是，ACh隨后作用的關(guān)鍵細(xì)胞并非神經(jīng)元，而是環(huán)繞在嗉囊導(dǎo)管末端及中腸前段的氣管細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)39166-GAL4標(biāo)記的氣管細(xì)胞失活后，果蠅的嘔吐反應(yīng)顯著減弱。
圖3.39166-GAL4標(biāo)記的氣管細(xì)胞（btl標(biāo)記）纏繞嗉囊導(dǎo)管末端和中腸前段
氣管細(xì)胞被激活后分泌速激肽（tachykinins, Tks），速激肽與哺乳動(dòng)物中的P物質(zhì)（Substance P）功能類(lèi)似，已知與胃腸運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。它的作用是雙重的：一方面，它直接促進(jìn)內(nèi)臟平滑?。ㄌ貏e是前腸的P4泵）的強(qiáng)烈收縮；另一方面，它抑制大腦間體神經(jīng)元釋放一種名為抑肌肽（myosuppressin）的抑制性肽。通過(guò)同時(shí)促進(jìn)收縮和解除抑制，速激肽有效地協(xié)同了嘔吐的發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)在嘔吐調(diào)節(jié)中的精巧協(xié)同，也為理解更廣泛的跨器官交流機(jī)制提供了新的范例。
圖4.氣管細(xì)胞釋放速激肽作用于P4泵和PI神經(jīng)元的環(huán)路示意圖
有趣的是，研究還發(fā)現(xiàn)了果蠅嘔吐調(diào)控中關(guān)鍵分子的保守性，包括NPF、NPFR、多巴胺受體和5-HT受體，這些分子在哺乳動(dòng)物嘔吐中也有類(lèi)似功能。這一發(fā)現(xiàn)為研究5-HT受體在促進(jìn)和抑制嘔吐中的雙重作用提供了新線(xiàn)索，并暗示果蠅模型可能有助于開(kāi)發(fā)針對(duì)周期性嘔吐綜合征等疾病的治療策略。
綜上所述，該研究首次在果蠅中系統(tǒng)地建立了嘔吐行為模型，并從分子、細(xì)胞和神經(jīng)環(huán)路層面揭示了其完整機(jī)制。這項(xiàng)工作為理解嘔吐的分子和細(xì)胞框架奠定了基礎(chǔ)，并為探索循環(huán)性嘔吐綜合征等疾病的病理機(jī)制以及開(kāi)發(fā)更安全、有效的止吐藥物提供了寶貴的動(dòng)物模型和潛在的治療靶點(diǎn)。
清華大學(xué)生命學(xué)院、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授張偉和博士后石琰琰為論文共同通訊作者，石琰琰為論文第一作者，生命學(xué)院2020級(jí)博士生賈寅君（已畢業(yè)）對(duì)本研究亦有重要貢獻(xiàn)。研究得到科技部2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項(xiàng)目、國(guó)家自然基金委項(xiàng)目以及清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心優(yōu)秀博士后基金的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv1143
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
