線蟲神經(jīng)系統(tǒng)的分離

線蟲神經(jīng)系統(tǒng)的分離

自1968年brenner首次倡導(dǎo)并開始分離以來，j.w首次將昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)的三維重建與遺傳分析和形態(tài)研究相結(jié)合。在分子、細胞和一般水平上，我們探索了昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)展和功能，并取得了許多關(guān)于其他動物的重要成就。1兩種神經(jīng)元間的結(jié)構(gòu)型線蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很簡單(Fig3)。兩性成蟲只有302個神經(jīng)元;雄成蟲由于支配尾交配器的需要,增加到381個神經(jīng)元。這些神經(jīng)元從形態(tài)上可分為118結(jié)構(gòu)型。利用激光微束選擇殺死一個或一組神經(jīng)元可確定該神經(jīng)元對整體行為的影響,從而鑒別其功能。用這一技術(shù)可把118神經(jīng)元結(jié)構(gòu)型在功能上分為40種類型。從形態(tài)上可鑒別的化學(xué)突觸的數(shù)目有5000個,間隙連接有600個,神經(jīng)肌肉接頭有600個。2細胞編程死亡線蟲是細胞定數(shù)動物。發(fā)育過程中產(chǎn)生的體細胞總數(shù)有1090個,其中131個細胞注定要按一定的發(fā)育程序陸續(xù)死亡。遺傳分析發(fā)現(xiàn)細胞編程死亡是受兩類基因控制的,ced-3和ced-4促進死亡,而ced-9則抑制死亡:從線蟲基因序列出發(fā),不久便找到了高等動物控制細胞編程死亡的同源基因,并深入研究了控制編程死亡的信號傳遞途徑?，F(xiàn)在已經(jīng)知道動物體內(nèi)細胞編程死亡是受其他細胞的信號控制的。生長中的神經(jīng)纖維依賴靶細胞產(chǎn)生的營養(yǎng)因子(如NGF等)存活,它們通過對稀少的營養(yǎng)因子的競爭而自動調(diào)節(jié)存活的神經(jīng)元的數(shù)目。細胞編程死亡在神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)發(fā)生、大腦皮質(zhì)新舊構(gòu)造的更替、神經(jīng)通路的建立以及神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病機制中均起重要作用。目前這方面的研究受到很大重視,正方興未艾。3egl-5基因突變線蟲神經(jīng)母細胞的決定和遷移受HX-C基因群的lin-39,mab-5,egl-5基因控制。Fig4a示lin-39(右斜線),mab-5(垂直線),egl-5(左斜線)基因突變影響的區(qū)域。當(dāng)lin-39突變時,處于其影響區(qū)域的神經(jīng)母細胞的發(fā)育命運改變?yōu)镻1P1P1P1P1P9P9;mab-5突變時,處于其影響區(qū)域內(nèi)的細胞改變?yōu)镻6P6P2P2P2;egl-5突變時則P12改變?yōu)镻11。mab-5基因不僅決定身體后段神經(jīng)母細胞的發(fā)育命運,而且還影響通過此區(qū)域的細胞的遷移行為。當(dāng)QL遷移到后區(qū),啟動細胞內(nèi)mab-5表達,并控制該細胞的子細胞的遷移行為。當(dāng)mab-5基因突變或表達異常時,QR衍生的子細胞的遷移方向從向前折到向后;而QL衍生的子細胞,則從向后折為向前(Fig4b)。線蟲的5種運動神經(jīng)元(VA,VB,VC,AS和VD)起源于10個前體細胞(腹神經(jīng)索神經(jīng)母細胞),其中每一個母細胞按相同譜系圖式進行分裂,結(jié)果產(chǎn)生的神經(jīng)元,按各自在前后軸上的不同位置而有不同的基因表達圖式,從而決定了不同的分化類型。神經(jīng)元的分化命運一方面受到lin-39和mab-5區(qū)域表達影響,另一方面還受到影響細胞譜系進行的unc-59和unc-85的影響。這些基因突變使有關(guān)細胞譜系的分裂受阻,結(jié)果不能產(chǎn)生原來應(yīng)有的全部成熟神經(jīng)元。一些細胞如處于適當(dāng)位置可分化為VB或VC細胞,如位于其他位置則發(fā)生凋亡(Fig5)。成熟運動神經(jīng)元的功能是受特定的基因表達圖式規(guī)定的(Fig5)。細胞的各種基因表達圖式可以用RNA原位雜交、熒光標記抗體等方法方便地顯示出來。新近出現(xiàn)的綠熒光蛋白標記技術(shù)還可以在活體上追蹤靶基因產(chǎn)物的動向。4神經(jīng)元/gaba基因線蟲神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)簡單,只有一個或兩個不分叉的突起,形成或接受突觸連結(jié),但其基本功能與其他動物相似,具有主要的神經(jīng)遞質(zhì)(乙酰膽堿、五羥色胺、多巴胺、谷氨酰胺等),甚至具有在藥理學(xué)上相似的受體。神經(jīng)元細胞核透明可見,突觸連接網(wǎng)絡(luò)圖式已清楚,便于用激光微束選擇性地殺死細胞。突變分析已發(fā)現(xiàn)影響行為的基因約有250個。因此,可以結(jié)合遺傳分析和細胞損傷來研究線蟲的行為。線蟲嗅覺反應(yīng)行為已作過精細的研究,對已測試過的121種揮發(fā)性化合物,大約半數(shù)有反應(yīng)。已知影響嗅覺的基因大約20個,其中一些基因的突變能專一地引起特定嗅神經(jīng)元的形態(tài)變異和嗅功能缺損。如odr-1、odr-2、odr-5、daf-11、daf-21基因突變造成對苯甲醛和異戊醇的反應(yīng)受損,而對其他氣味感受無影響。這一現(xiàn)象與用激光微束殺死AWC神經(jīng)元的結(jié)果相同,因而提示這些基因與AWC神經(jīng)元的功能有關(guān)。其他基因突變則引起對相應(yīng)氣味感受的缺損。神經(jīng)元嗅覺反應(yīng)的信號分子涉及cAMP,IP3。cAMP依賴通道基因突變,一些嗅覺反應(yīng)便消失。線蟲的排糞過程涉及三組肌肉群在時空上協(xié)調(diào)的一連串動作。遺傳分析表明排糞運動程序是受12個基因控制的,其中任一基因突變可去除其中相應(yīng)的步驟,但不影響其他動作的進行。如nuc-16突變影響aBoc肌肉群(身體前段肌肉群)動作,而pBoc(身體后段)和Exp(腸收縮)動作不受影響。其他基因突變則影響其他兩肌肉群(pBoc和Exp)動作,但不影響aBoc肌肉群動作。這清楚地把排糞程序的遺傳控制解析到基因單位了。DVB和AVL是合成GABA的神經(jīng)元。unc-25突變時GABA合成受阻,并導(dǎo)致Exp動作的缺損?？傊?以往線蟲研究對神經(jīng)生物學(xué)的貢獻突出地表現(xiàn)在兩方面:首先,通過遺傳分析在活體內(nèi)鑒定了一些分子在神經(jīng)元發(fā)育和功能中的作用;其次,對線蟲結(jié)構(gòu)簡單的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合遺傳和形態(tài)分析可把從分子、細胞到整體行為研究整合起來。隨著線蟲基因組全序列測定的完成,這幾方面的綜合研究必將對神經(jīng)系統(tǒng)的功能得到更深入的了解。5研究生物.對海因子的基因組織的意義線蟲神經(jīng)系統(tǒng)只有302個細胞(約占體細胞總數(shù)1/3),卻含有編碼脊椎動物腦分子的大多數(shù)基因。線蟲和哺乳動物之間有關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)受體合成和釋放途徑,G蛋白偶聯(lián)信號傳遞途徑的基因是高度保守的,而化學(xué)感受體和間隙連接基因卻是獨立起源的。大多數(shù)離子通道基因也是和脊椎動物的離子通道基因相似的,但缺少電壓激活鈉通道基因。線蟲基因組編碼至少80鉀通道,90神經(jīng)遞質(zhì)門控通道,50肽受體,1000孤兒受體(可能為化學(xué)感受體)。許多基因族既含有同源基因,同時也存在趨異的外位基因(outlier),它們可能有未知功能(Tab1)。脊椎動物與學(xué)習(xí)和突觸可塑性相關(guān)的蛋白激酶(蛋白激酶A,蛋白激酶G,CAM激酶),在線蟲基因組內(nèi)也有相應(yīng)的基因存在。cAMP信號傳遞途徑,特別是CREB(cAMPresponseelement-bindingprotein)在長時程記憶中起重要作用,在線蟲基因組中也找到1CREB基因。NMDA-谷氨酰胺受體對突觸可塑性有重要影響,在線蟲基因組中也存在?？傊?脊椎動物腦有關(guān)學(xué)習(xí)、記憶的關(guān)鍵分子的基因,在線蟲基因組內(nèi)均存在。此外,對線蟲基因組序列的比較分析還發(fā)現(xiàn)許多人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)基因的同源基因(Tab2)?？傊?線蟲基因組全序列信息為研究高等動物神經(jīng)系統(tǒng)提供了一個“平臺”。利用基因組全序列信息和計算機輔助同源克隆等新技術(shù)將為高等動物分子神經(jīng)生物學(xué)、克隆新基因、分析其功能提供有力的手段。注:在此文編輯過程中,驚悉王亞輝教授于1999年底不幸病逝?，F(xiàn)將此文全文刊登,表示我們對他的悼念之情。線蟲體形小(成蟲長1mm),透明,可在Normaski顯微鏡下對整個發(fā)育過程中每個細胞命運作追蹤觀察,得出細胞譜系(Fig1,2)。另一方面,利用電鏡連續(xù)切片和三維重組,對神經(jīng)系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)可作完整的描述。Chalfie(1984)細致地追蹤了從胚胎發(fā)育各時期到幼蟲和成體全部神經(jīng)元的細胞譜系和細胞核位置。Wood(1988)編著的《線蟲(C.elegans)》一書,匯集了神經(jīng)系統(tǒng)的細胞譜系、全部神經(jīng)元及其突起的位置,以及神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)圖式等資料。細胞編程死亡(programmedcelldeath,PCD)或凋亡(apoptosis)是指在一定發(fā)育時期出現(xiàn)的細胞的自然死亡,在形態(tài)和生化上都有別于病理損傷引起的細胞壞死(necrosis)。胚胎學(xué)家很久以前就已經(jīng)觀察到在胚胎生長旺盛區(qū)域同時存在大量凋亡細胞的現(xiàn)象。然而,細胞編程死亡的生物學(xué)意義和遺傳控制最早是從線蟲研究上突破的。在果蠅發(fā)現(xiàn)同源異形基因群(HOM-C)后,用同源異形框(homeobox)探針在從無脊椎動物到脊椎動物都發(fā)現(xiàn)有同源異形框基因群。它們決定軀體前后的極性和分節(jié),并控制中央神經(jīng)系統(tǒng)和中軸器官沿前后軸的區(qū)域分化。線蟲軀體雖不分節(jié),發(fā)現(xiàn)仍然存在一組HX-C基因群,包括7個基因,分散分布在同一條染色體上,它們決定身體前后軸的區(qū)域化,并對神經(jīng)母細胞的決定和遷移起控制作用(Fig4)。線蟲雖小,卻能感受各種環(huán)境刺激(接觸、溫