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背景:TGF-β信号通路参与各种生理和病理过程调控,如发育、伤口愈合、增殖和癌症转移。TGF-β信号通路还参与控制多种认知行为,对于大脑的病理性改变和神经系统发育起着重要的作用。感觉信号整合是神经系统的重要功能,一方面其调控分子机制尚不完全了解,另一方面基于秀丽线虫等模式生物已经建立了相应的研究体系。
目的:本研究利用模式动物秀丽线虫为研究对象,试图阐释TGF-β信号通路对秀丽线虫感觉信号整合调控的神经环路与分子机制。
方法:利用铜离子和丁二酮两种矛盾信号构建的抉择模型来考察TGF-β信号通路是否影响秀丽线虫的感觉信号整合能力。通过在野生型背景下过表达以及突变体背景下表达相关基因于感觉神经元、中间神经元和神经胶质细胞来对TGF-β信号通路调控感觉信号整合神经环路进行进一步解析。并进而在特定神经环路中分析DAF-5调控感觉信号整合行为的靶点。
结果:在丁二酮和铜离子构建的矛盾信号抉择模型中,TGF-β信号通路相关基因(配体基因tig-2、受体基因daf-1和daf-4、R-Smad基因daf-8、Co-Smad基因daf-3、I-Smad基因tag-68和转录因子基因daf-5)突变后导致秀丽线虫表现出感觉信号整合能力下降的表型。由于突变体对丁二酮、铜离子、饥饿信号的感知和运动能力不存在缺陷,从而确认了这些相关基因参与了感觉信号整合的调控。daf-1和daf-4的过表达后秀丽线虫虽然感觉信号整合能力与野生型N2相似,但是其在模型中穿越铜离子墙的方式却显著改变。daf-4受体基因表达于AIY中间神经元可以对daf-4突变体的感觉信号整合缺陷起到恢复效应,且在神经胶质细胞中表达也起到一定的恢复效应。将受体基因daf-1、R-Smad基因daf-8、Co-Smad基因daf-3、I-Smad基因tag-68和转录因子基因daf-5表达于AIY中间神经元也可以对相应突变体的感觉信号整合缺陷具有恢复效应。tig-2表达于AWA感觉神经元可以对tig-2突变体的感觉信号整合能力缺陷起到恢复效应。经过对daf-5突变体中表达于AIY中间神经元基因的表达模式分析,发现inx-7、pkc-1、flp-1、fax-1、flp-18和acr-14这6个基因在转录水平上发生改变。其中,inx-7、pkc-1、和fax-1等3个基因突变后显著影响秀丽线虫的感觉信号整合能力。而且,这些基因表达于AIY中间神经元也可以对相应突变体的感觉信号整合能力缺陷具有恢复效应。
结论:TGF-β信号通路可以经由“AWA感觉神经元-AIY中间神经元”神经环路参与秀丽线虫的感觉信号整合的调控,而且在靶细胞中转录因子DAF-5可能具体经由INX-7、PKC-1、FAX-1调控秀丽线虫的感觉信号整合。