動(dòng)物的群體聚集是一個(gè)普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，對動(dòng)物的覓食、婚配、群體防御和抵抗天敵具有重要的意義。而蝗災(zāi)的發(fā)生就是種群高度聚集引起的。蝗災(zāi)發(fā)生時(shí)，一個(gè)蝗群往往會(huì)有十幾億只蝗蟲聚集。特別是近幾年蝗災(zāi)在全世界再度大發(fā)生，引進(jìn)人們對糧食安全和生態(tài)安全的擔(dān)憂。因此，認(rèn)識蝗災(zāi)的奧秘和控制蝗災(zāi)，必須認(rèn)識蝗蟲群聚的機(jī)制。飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲，也是造成蝗災(zāi)的主要蝗蟲物種。飛蝗從低密度的散居型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有停钪匾母淖兪前l(fā)生聚群行為，進(jìn)而推動(dòng)大規(guī)模群體遷飛形成蝗災(zāi)。

康樂院士團(tuán)隊(duì)過去系列研究充分證明，多巴胺通路是控制飛蝗聚群行為轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵分子機(jī)制。多巴胺是動(dòng)物和人類大腦中含量豐富的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多種生理功能，與情欲、感覺、運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。該團(tuán)隊(duì)最先發(fā)現(xiàn)，多巴胺及其合成過程中的關(guān)鍵基因是調(diào)控飛蝗聚群行為的重要機(jī)制（PNAS，2011）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)microRNAs通過參與多巴胺的代謝或者信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)聚群行為（PLoS Genet.2014；Nat. Commun., 2018）。近期與河北大學(xué)陳兵等合作研究則發(fā)現(xiàn)，一個(gè)順式調(diào)節(jié)苯丙氨酸羥化酶基因轉(zhuǎn)錄的長鏈非編碼RNA（PAHAL）通過正反饋精確調(diào)控多巴胺的合成代謝和聚群行為響應(yīng)（PLoS Genet.2021）。因此，聚群行為調(diào)節(jié)過程中的多巴胺生成可能由一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)精確控制。但是，多巴胺作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)，它的生成或者修飾是否會(huì)引起蝗蟲群聚效應(yīng)的改變尚不清楚。

實(shí)際上，動(dòng)物的聚群行為和類似社會(huì)性行為可以響應(yīng)環(huán)境變化在數(shù)十分鐘內(nèi)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，這需要非常高效精準(zhǔn)的調(diào)控機(jī)制，包括在翻譯后水平特別是翻譯后修飾水平的調(diào)控，但生物體具體如何修飾調(diào)控這些神經(jīng)分子（包括多巴胺）的活性以協(xié)調(diào)行為反應(yīng)，從而應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境，這方面還知之甚少。

最近，河北大學(xué)和中國科學(xué)院動(dòng)物研究所的康樂及陳兵作為共同通訊作者在National Science Review在線發(fā)表題為“Sulfation modification of dopamine in brain regulates aggregative behavior of animals”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)節(jié)行為可塑性的新機(jī)制，即神經(jīng)遞質(zhì)特別是多巴胺的硫酸化修飾（sulfation，一種II相代謝修飾），改變多巴胺的活性，高效調(diào)控飛蝗聚群行為；更重要的是，這種修飾系統(tǒng)對聚群類社會(huì)性行為的調(diào)節(jié)從低等動(dòng)物（線蟲）到高等動(dòng)物（老鼠）都是保守高效的。

大腦中發(fā)生硫酸化修飾時(shí)，磺基轉(zhuǎn)移酶(sulfotransferase)催化添加磺酸基(SO₃^2-)到底物分子上，完成底物分子的硫酸化修飾，該磺酸基來自專一供體3'-磷酸腺苷5'-磷酸硫酸(PAPS)。他們的研究發(fā)現(xiàn)，PAPS合成過程有效誘導(dǎo)了蝗蟲的聚群行為轉(zhuǎn)變：遺傳或化學(xué)抑制PAPS合成促使行為從群居型轉(zhuǎn)變?yōu)樯⒕有汀Ｏ喾矗獠縋APS注射促進(jìn)了散居型蝗蟲的聚群行為。對硫酸化催化過程進(jìn)行遺傳的或藥理學(xué)的干預(yù)會(huì)導(dǎo)致顯著的散居效應(yīng)。對底物特異的磺基轉(zhuǎn)移酶的分析表明，硫酸化的神經(jīng)遞質(zhì)廣泛參與行為反應(yīng)。經(jīng)過多輪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，多巴胺最終被確定為大腦中關(guān)鍵的硫酸化修飾結(jié)合底物，并且硫酸修飾增強(qiáng)了游離多巴胺介導(dǎo)的聚集行為。同時(shí)，硫酸化修飾系統(tǒng)對聚群類似的社會(huì)性行為的調(diào)控作用在秀麗隱桿線蟲和小鼠中也得到充分的證實(shí)。

該發(fā)現(xiàn)首次從代謝修飾層面揭示了硫酸化修飾作為一種高效調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)分子活性控制行為轉(zhuǎn)變的新機(jī)制，同時(shí)證明多巴胺及其合成途徑過程有多種方式調(diào)節(jié)動(dòng)物的群聚行為。本研究也是第一次發(fā)現(xiàn)硫酸化修飾系統(tǒng)是參與動(dòng)物行為可塑性調(diào)節(jié)的一般性機(jī)制，特別是在調(diào)節(jié)社會(huì)性行為方面作用顯著。過去報(bào)道多巴胺的硫酸化修飾主要發(fā)生在胃腸系統(tǒng)以促進(jìn)消化或解毒，而本研究發(fā)現(xiàn)了大腦屏障內(nèi)痕量多巴胺的硫酸化修飾及其高效的行為學(xué)調(diào)節(jié)功能，無疑拓展了人們對神經(jīng)遞質(zhì)修飾功能的新的認(rèn)識。總之，該發(fā)現(xiàn)一方面揭示了控制飛蝗聚群發(fā)生的行為學(xué)奧秘，為蝗災(zāi)防治提供了借鑒，另一方面，多巴胺途徑異常與人類的許多疾病密切相關(guān)，比如帕金森、阿爾茨海默病、抑郁癥及一些其他的行為上異常，因此，該發(fā)現(xiàn)揭示了一些類似神經(jīng)和行為疾病的分子基礎(chǔ)，為藥物開發(fā)用于行為疾病治療提供新啟示。

陳兵和童希文為本論文的共同第一作者，康樂院士與陳兵教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

文獻(xiàn)來源：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab163/6362627?guestAccessKey=f3cae47f-7df6-4d08-9bad-1c44c090d827

（生命科學(xué)學(xué)院、科學(xué)技術(shù)處供稿）