揭示果蝇呕吐行为的分子与神经机制：新型遗传模型为呕吐研究提供新视角

本研究针对呕吐机制研究缺乏合适动物模型的难题，建立了以黑腹果蝇为对象的呕吐行为模型。研究人员通过遗传学和药理学方法，揭示了小檗碱通过mAChRs-PLC通路间接激活TrpA1化学受体，进而诱导前肠上皮细胞释放乙酰胆碱(ACh)，刺激肠道气管细胞分泌速激肽(Tks)的完整调控通路。该发现不仅阐明了果蝇呕吐的分子细胞机制，更证明了关键基因在哺乳动物呕吐调控中的保守性，为研究复杂器官间相互作用的呕吐机制提供了重要遗传工具。

　　

呕吐是一种常见的防御性生理反应，但长期以来科学家们对其分子机制了解甚少，这主要是由于缺乏合适的遗传动物模型。传统上，猫、狗和雪貂等动物被用于呕吐研究，然而常用的实验室物种如小鼠和大鼠由于缺乏特定的神经回路而无法呕吐，这极大地限制了呕吐研究的进展。特别是在研究不同5-羟色胺受体亚型的双重催吐和止吐作用时，缺乏遗传工具的非模式生物使得研究变得异常困难。

针对这一挑战，研究人员在《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)上发表了一项突破性研究，建立了黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)作为研究呕吐行为的遗传模型。通过多学科交叉的研究方法，包括行为学分析、遗传操作、药理学干预和细胞生物学技术，研究人员系统地解析了果蝇呕吐行为的分子和神经机制。

在研究过程中，研究人员采用了多项关键技术：通过自由活动和固定果蝇的呕吐行为观察记录系统；利用GAL4/UAS系统进行细胞特异性基因敲除和表达操控；应用免疫荧光染色和共聚焦显微镜技术进行细胞定位和蛋白表达分析；使用钙成像技术检测乙酰胆碱释放；通过热遗传学工具(TrpA1)进行细胞特异性激活实验；采用基因突变体和RNA干扰技术验证基因功能；使用肽类物质注射实验验证信号通路。

研究结果部分揭示了多个重要发现：

建立黑腹果蝇呕吐行为模型

研究人员发现喂食小檗碱(berberine)后果蝇出现呕吐样行为，表现为用力排出摄入物。这种行为不同于其他昆虫的反流行为，具有强制性和不可控性的特征。通过行为学分析，发现果蝇在呕吐前表现出更多的喙延伸(proboscis extension, PE)事件，这与哺乳动物呕吐前呼吸频率增加的前驱症状相似。除了小檗碱，研究人员还发现砷 trioxide (As₂O₃)等有毒物质也能诱发强烈的呕吐反应，表明有害刺激本身足以引发呕吐行为。

小檗碱通过mAChRs-PLC通路间接激活TrpA1

分子机制研究表明，TrpA1化学受体在小檗碱诱导的呕吐中起关键作用。三个TrpA1突变体(TrpA1^ins、TrpA1-AB^lexA和TrpA1-CD^GAL4)都表现出呕吐显著减少。进一步研究发现，小檗碱通过G蛋白偶联受体(GPCRs)和磷脂酶C(PLC)通路间接激活TrpA1，其中nor pA基因缺失的果蝇在喂食小檗碱后完全不呕吐。药理学实验表明，乙酰胆碱(ACh)和胆碱能诱发明显呕吐，而毒蕈碱型而非烟碱型乙酰胆碱受体(mAChRs)的激动剂能触发强烈呕吐反应。

前肠上皮细胞分泌ACh作用于肠道气管细胞调控呕吐行为

细胞机制研究发现，前肠上皮细胞在响应小檗碱时释放ACh。通过使用胆碱乙酰转移酶(ChAT)敲减实验，证实这些细胞负责ACh的合成和释放。研究人员确定了39166-GAL4标记的细胞作为ACh的靶细胞，这些细胞位于前中肠，包裹着唾液腺、前中肠和嗉管末端，经鉴定为气管细胞。通过细胞特异性失活实验，证明这些肠道气管细胞的活动对果蝇呕吐是必需的。

39166-GAL4标记的气管细胞释放速激肽(Tks)通过TkR99D调节呕吐行为

信号通路研究表明，气管细胞通过释放速激肽(tachykinins, Tks)来调控呕吐行为。在Dh44、Tk和Trh(血清素合成限速酶编码基因)中，只有敲减Tk显著降低了呕吐率。注射合成Tks(Tk1和Tk6a)能够增加喂食denatonium果蝇的呕吐反应。Tks通过TkR99D受体发挥作用，该受体突变能减少呕吐。研究发现Tks有两个作用靶点：相邻的内脏肌肉和pars intercerebralis(PI)神经元。

研究人员还发现，速激肽可能直接刺激前肠的P4泵诱导呕吐，并抑制PI神经元释放肌抑制肽(myosuppressin, Ms)，从而解除对嗉囊收缩的抑制，进一步促进呕吐。神经肽Ms能抑制嗉囊收缩，敲减Ms增加了呕吐率，而MsR1突变则提高了呕吐率。

研究结论表明，黑腹果蝇对小檗碱摄入引发的呕吐行为提供了呕吐反应的详细特征描述。这种行为涉及摄入物的强制性和不可控性排出，与哺乳动物的呕吐反应非常相似。尽管果蝇和哺乳动物的消化道解剖结构和生理功能存在显著差异，但研究发现某些参与呕吐反应的信号通路可能具有功能相似性。

特别值得注意的是，研究发现果蝇中的mAChRs和Tks在呕吐中起关键作用，类似于哺乳动物中mAChRs和P物质的作用。神经肽F(neuropeptide F, NPF)(果蝇中哺乳动物肽YY的同源物)及其受体NPFR也调控呕吐，类似于PYY在哺乳动物中的作用。多巴胺和5-羟色胺系统也表现出保守功能，三种多巴胺受体突变降低了呕吐率。

这项研究的意义不仅在于揭示了果蝇呕吐的分子机制，更重要的是为研究周期性呕吐综合征(cyclic vomiting syndrome, CVS)等呕吐相关疾病提供了新的模型系统。研究发现利尿激素44(Dh44)(CRF的同源物)在呕吐中的作用，提示果蝇可能作为CVS的补充模型，为遗传研究和大规模止吐疗法筛选提供机会。

此外，研究揭示了非神经元性ACh在呕吐调节中的重要作用。在哺乳动物中，ACh及其受体在呕吐中的作用最初是通过研究针对M1受体的抗运动病药物确定的。非神经元性ACh由上皮细胞(包括消化道上皮细胞)合成，食管上皮细胞中异常的胆碱能活性与胃食管反流病有关。

最令人意外的发现是气管细胞在调节呕吐中的角色。昆虫气管系统主要由上皮管网络组成，主要通过向组织输送氧气来发挥呼吸功能。然而，最近的转录组研究表明，气管细胞表达多种参与细胞间通讯的受体，包括多巴胺、5-羟色胺、ACh、章鱼胺和胰岛素的受体。这些细胞还能合成神经递质如ACh、多巴胺和章鱼胺，突出了它们进行广泛跨器官通讯的能力。这项研究发现揭示了气管系统与其他器官在调节果蝇行为中的关键联系，强调需要进一步研究这个有趣的通讯网络。

总之，这项研究不仅建立了果蝇作为研究呕吐行为的遗传模型，更重要的是揭示了呕吐行为的分子和细胞框架，为理解呕吐的复杂机制提供了新的视角，也为开发新的止吐治疗方法奠定了理论基础。