饮食质量评估的神经机制：5-羟色胺信号在秀丽隐杆线虫觅食决策中的背景依赖性调控

《Nature Communications》：Context-dependent serotonin signaling links dietary quality to foraging decisions

本刊编辑推荐：为揭示动物如何根据代谢需求评估饮食质量并做出适应性行为决策，研究人员以秀丽隐杆线虫为模型，通过全基因组筛选发现22种引起行为厌恶的大肠杆菌代谢突变体。研究表明不同类别5-羟色胺能神经元通过不同受体分别促进对非偏好饮食的厌恶和对偏好饮食的保留，5-羟色胺与多巴胺、章鱼胺信号在分布式神经环路中整合，共同调控对饮食质量的背景依赖性评估。该研究揭示了指导饮食质量评估的相互作用神经调控网络。

　　

在复杂的自然环境中，动物如何评估饮食质量并做出最优觅食决策，是神经科学和行为生态学领域的核心问题。面对琳琅满目的食物选择，动物不仅依赖嗅觉和味觉等外部感官线索，更能通过内部代谢状态感知来调整食物偏好。这种基于内在需求的饮食评估机制，对于动物的发育、繁殖和生理平衡至关重要。然而，调控食物偏好的代谢因子本质及其神经机制仍不清楚。

作为经典模式生物，秀丽隐杆线虫的许多行为受其细菌食物调节。除了通过咽部快速感知食物代谢物外，线虫还能在数分钟到数小时内通过长期觅食行为评估食物的质量和数量。例如，动物在高质量食物上表现出低活动性的定居行为，而在食物有限时表现出高活动性的漫游行为。更极端的是，线虫会放弃难以食用、有毒或致病的细菌食物源。这些缓慢获得的厌恶行为可以通过限制病原体摄入和毒素暴露来延长生存期，并帮助动物在异质性自然环境中选择高质量食物源。

神经调质5-羟色胺在多种动物中连接生理和行为。在线虫中，5-羟色胺由三对神经元合成：NSM、ADF和HSN。这些神经元通过六种具有不同信号机制的受体发挥作用，几乎表达于半数的线虫神经元。这种由少数5-羟色胺表达神经元、多种5-羟色胺受体和广泛分布的5-羟色胺受体表达神经元组成的一般组织架构，在哺乳动物和线虫之间似乎是共享的。

发表在《Nature Communications》的这项研究，通过系统性研究线虫对不同大肠杆菌食物的长期行为反应，揭示了5-羟色胺系统在评估和解释不同饮食质量中的能力，以及其与多巴胺、章鱼胺等神经调质在分布式神经回路中的相互作用机制。

研究人员主要运用了全基因组行为筛选、神经遗传学操作、细胞特异性基因敲除、化学遗传学神经元沉默、荧光报告基因检测、扫描电子显微镜分析等关键技术方法。通过对3983个大肠杆菌Keio基因敲除集合的系统筛选，结合定量视频记录和行为分析，确定了引起线虫厌恶行为的细菌代谢突变体。

全基因组筛选诱导线虫厌恶行为的大肠杆菌突变体

研究人员使用长期觅食实验评估线虫行为，该实验已被广泛用于研究对毒性或致病性细菌的反应。L4期幼虫被放置在接种有密集细菌食物斑块的平板上，通过视频记录跟踪动物位置20小时。超过80%的动物在整个20小时实验期间停留在标准大肠杆菌食物斑块内，而少于10%的动物在16-20小时后停留在致病性铜绿假单胞菌斑块上。

通过对大肠杆菌Keio敲除集合的3983个缺失突变体的筛选，研究人员确定了22个能引起显著厌恶行为的大肠杆菌突变体，其平均厌恶比为0.4，而亲本BW25113菌株（野生型）为0.18。这些基因涉及五个代谢途径：全局转录调控、肠细菌共同抗原生物合成、必需营养素半胱氨酸和B6的生物合成以及铁铁转运。

具体而言，△crp和△cyaA突变体引起显著厌恶，表明线虫能感知细菌的碳代谢状态。四个肠细菌共同抗原生物合成突变体（△wzxE、△rffT、△rffA和△rffC）引起厌恶反应，提示内膜中间产物的积累驱动线虫厌恶行为。半胱氨酸生物合成突变体△cysE和△cysK引起中度厌恶，而四个影响维生素B6合成的突变体也引起厌恶反应。铁铁摄取突变体△fepB、△fepD、△fepG和△fes引起厌恶，可能与铁-肠杆菌素复合物在线粒体中的毒性有关。

引起线虫厌恶的大肠杆菌突变体诱导应激反应

研究人员从五个生物学途径中各选一个代表性突变体（△crp、△wzxE、△pdxJ、△cysE和△fepB）进行详细表征。这些突变体对线虫发育速率、繁殖力、摄食率、定植（细菌致病性的标志物）和寿命有不同程度的影响。其中△fepB引起显著的发育延迟、繁殖力降低和线虫定植增加，而△crp导致寿命缩短、摄食减少和轻微发育延迟。

在分子水平上，厌恶饮食能选择性激活线虫应激反应。ASJ感觉神经元中的daf-7::GFP报告基因在△crp、△wzxE和△fepB细菌中显著诱导，而线粒体应激报告基因hsp-6::GFP在△crp和△fepB细菌中显著诱导。氧化应激报告基因gst-4::GFP在△cysE和△wzxE细菌中诱导。

化学补充实验进一步证实了代谢效应。在细菌生长期间向测定平板添加葡萄糖，可抑制线虫对△crp饮食的厌恶。在半胱氨酸或其前体O-乙酰丝氨酸添加实验中，无论是在细菌生长前还是后添加，都能抑制线虫对△cysE饮食的厌恶。维生素B6补充实验表明，厌恶部分源于改变的细菌代谢。

线虫通过不同5-羟色胺能神经元评估相对食物质量

缺乏所有神经元合成5-羟色胺的tph-1突变体对两种 mediocre饮食（△crp和△cysE）的厌恶减少，而对野生型细菌的反应基本正常。通过Cre/lox重组消除特定神经元类别中的tph-1，研究人员发现ADF神经元中的5-羟色胺合成缺失导致对野生型细菌的厌恶小幅但显著增加；NSM神经元中的5-羟色胺合成缺失降低了对△crp和△cysE mediocre饮食的厌恶；HSN神经元中的5-羟色胺合成降低了对△crp饮食的厌恶。

化学遗传学验证实验支持这些发现。使用组胺门控氯离子通道急性沉默ADF神经元显著增加对野生型细菌的厌恶，类似于ADF中的tph-1敲除。急性沉默NSM神经元抑制了对mediocre △crp和△cysE饮食的厌恶，重现了NSM中tph-1敲除的效果。HSN神经元遗传消融的品系降低了对mediocre △crp饮食的厌恶。这些结果证实5-羟色胺能ADF神经元防止对野生型饮食的厌恶，而5-羟色胺能NSM和较小程度上的HSN神经元促进对mediocre △crp和△cysE饮食的厌恶。

5-羟色胺受体SER-5与生物胺章鱼胺共同抑制对野生型饮食的厌恶

在六种已知5-羟色胺受体中，ser-4和ser-5突变体对野生型饮食表现出显著增强的厌恶。ser-5在RIC酪胺β-羟化酶神经元中表达，5-羟色胺从ADF释放可激活RIC。ser-5 cDNA从其内源启动子或RIM和RIC神经元的启动子表达时，能挽救对野生型饮食的行为。

RIM和RIC神经元表达酪氨酸脱羧酶产生酪胺，RIC还表达酪胺β-羟化酶将酪胺转化为章鱼胺。tdc-1突变体缺乏酪胺和章鱼胺，tbh-1突变体缺乏章鱼胺并积累过量酪胺。与ser-5突变动物类似，tdc-1和tbh-1突变体对野生型饮食有显著厌恶。在RIC神经元中或RIM和RIC神经元中表达破伤风毒素轻链以阻断突触释放也诱导了厌恶。

这些结果表明，来自ADF的5-羟色胺作用于SER-5，增强酪胺和章鱼胺产生细胞的活性，从而抑制对高质量饮食的厌恶。章鱼胺来自RIC神经元是抑制野生型细菌厌恶的主要信号。

5-羟色胺受体SER-7和多巴胺促进对mediocre △crp饮食的厌恶

ser-7、mod-1和lgc-50突变体对mediocre △crp饮食的厌恶减少。兴奋性受体SER-7在咽部肠神经元中表达调节摄食。ser-7 cDNA从其内源启动子或重叠神经元启动子表达时，能挽救对mediocre △crp饮食的厌恶。在这些神经元中，ser-7在II神经元中的表达部分挽救了对mediocre △crp饮食的厌恶。

对神经递质多巴胺的检查发现，缺乏多巴胺生物合成酶cat-2的动物对△crp饮食的厌恶减弱。cat-2在CEP感觉神经元中表达，从其自身启动子或选择性在CEP感觉神经元中表达的启动子表达cat-2 cDNA能挽救对△crp饮食的厌恶。

在多巴胺受体中，抑制性多巴胺受体DOP-6突变动物对mediocre △crp饮食的厌恶减少，类似于cat-2突变体。dop-6在RIC神经元中表达，能抑制RIC活性。在RIC神经元中或RIM和RIC神经元中表达dop-6 cDNA能挽救对mediocre △crp饮食的厌恶。

扫描电子显微镜显示，在实验生长条件下，△crp细胞显著大于野生型大肠杆菌。第二种具有形态学改变的细菌菌株是ECA生物合成突变体△wzxE，其外膜结构缺陷。类似于对△crp饮食的厌恶，对△wzxE饮食的厌恶需要tph-1、cat-2和ser-7基因。

两种5-羟色胺受体SER-1和MOD-1促进对mediocre △cysE饮食的厌恶

ser-1和mod-1突变体对mediocre △cysE饮食的厌恶减少，类似于tph-1突变体。兴奋性受体ser-1在RIA和RIC神经元中表达，调节伤害感受。ser-1 cDNA从其内源启动子或特异性在RIA神经元中表达时能挽救对△cysE饮食的厌恶，但在RIC神经元中表达不能挽救。

来自NSM的5-羟色胺可通过MOD-1受体抑制RIM和RIC神经元来调节运动或摄食。在RIC神经元中或RIM和RIC神经元中表达mod-1能挽救mod-1突变体对mediocre △cysE饮食的厌恶。遗传相互作用实验表明，mod-1抑制章鱼胺信号，而章鱼胺本身抑制对△cysE饮食的厌恶，但被mod-1抑制。

值得注意的是，不同基因、神经元和细菌饮食的组合并不总是产生简单解释。例如，tdc-1 ser-1双突变体对△cysE饮食有强烈厌恶，表明tdc-1能抑制ser-1，即使ser-1厌恶未在RIC神经元中挽救。缺乏多巴胺的cat-2突变体对mediocre △cysE饮食的厌恶减少，但CEP神经元和多巴胺受体dop-6并非此行为特异性必需，进一步区分了对△crp和△cysE mediocre饮食厌恶的要求。

最后，tph-1、tdc-1和tbh-1之间的遗传相互作用突出了5-羟色胺、酪胺和章鱼胺的背景依赖性贡献。在mediocre饮食上，tdc-1 tph-1双突变体类似于tph-1突变体，指向章鱼胺的5-羟色胺非依赖性功能。然而，在野生型饮食上，酪胺可能至少有一些5-羟色胺非依赖性功能，因为tdc-1 tph-1双突变体具有介于两种单突变体之间的表型。

研究结论与意义

这项研究通过全基因组筛选发现了22种引起线虫厌恶反应的大肠杆菌突变体，表明厌恶是一种相对特异的行为反应，主要针对诱导代谢应激的饮食。厌恶代表了对引起代谢应激的饮食的行为反应，与简单营养限制不同。

研究最显著的发现是5-羟色胺在线虫区分高质量和mediocre大肠杆菌饮食中的双向作用。不同类别的5-羟色胺能神经元在不同饮食背景下解释食物质量：5-羟色胺能ADF神经元支持对高质量细菌饮食的保留，而5-羟色胺能NSM神经元和较小程度上的HSN神经元驱动对mediocre饮食的厌恶。

通过筛选三种不同细菌饮食上的厌恶行为，研究人员确定了所有六种已知5-羟色胺受体在厌恶实验中的作用。这些受体在特定行为背景下具有独特功能，表明神经系统能够区分不同的厌恶情境。除了5-羟色胺，多巴胺和章鱼胺等单胺递质也有贡献：多巴胺促进对两种mediocre饮食的厌恶，而章鱼胺抑制所有饮食的厌恶。

该研究揭示了相互作用的5-羟色胺、多巴胺和章鱼胺神经调质系统，它们共同指导对饮食质量的背景依赖性评估。这些分布式神经调质系统的组织和功能原理，为了解动物如何根据内部状态和环境线索调整行为提供了重要见解，对理解神经调质在行为调控中的普遍原理具有重要意义。