《PLOS Genetics》：Neuronal Nrf/SKN-1B controls a sexually dimorphic neuroendocrine pathway for C. elegans exploratory behaviour
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SKN-1/Nrf转录因子家族对代谢稳态至关重要。在秀丽隐杆线虫中有三种SKN-1亚型，每种功能不同。其中之一SKN-1B特异性表达在神经元中，并控制雌雄同体对食物的行为反应。在实验室环境中，秀丽隐杆线虫雌雄同体必须在探索性觅食行为、繁殖和生存之间有效分配能量
SKN-1/Nrf转录因子家族对代谢稳态至关重要。在秀丽隐杆线虫中有三种SKN-1亚型，每种功能不同。其中之一SKN-1B特异性表达在神经元中，并控制雌雄同体对食物的行为反应。在实验室环境中，秀丽隐杆线虫雌雄同体必须在探索性觅食行为、繁殖和生存之间有效分配能量，而雄性则需平衡觅食与寻偶探索行为。本研究评估了SKN-1B在雄性行为中的作用，并表明SKN-1B以性别二态性方式控制探索行为、线粒体形态和线粒体功能。此外，研究人员发现SKN-1B以性别二态性模式表达，且与雌雄同体相比，SKN-1B对雄性的基因表达产生更广泛的影响。该分析鉴定了一条雄性中特有的神经信号通路，涉及SKN-1B、TGF-β配体DAF-7和化学感觉调节因子ODR-10，并且该通路促进了skn-1b突变雄性探索行为的增加。综上，研究人员的发现将SKN-1B鉴定为控制食物搜索和交配行为的性别特异性神经开关。性别二态性对于优化生存和繁殖成功至关重要，研究人员的发现确立了SKN-1B作为性别特异性行为和代谢性状调节因子的地位。这项工作为神经对代谢和行为的调节提供了新见解，对理解其他物种的性别特异性生理适应具有重要意义。
**研究背景、问题与研究意义**
秀丽隐杆线虫（*Caenorhabditis elegans*）作为一种广泛使用的模式生物，其个体分为雌雄同体（hermaphrodite）和雄性（male）两种性别，各自面临独特的生物学挑战。雌雄同体通过自体受精繁殖，需在食物摄入、繁殖和生存间高效分配能量以维持储能与生殖输出的平衡；雄性则依赖定位雌雄同体进行交配，必须将能量投入探索和寻偶行为，同时确保充足营养以支持持续搜索和交配。这种觅食、交配与能量代谢间的权衡，受性别特异性神经、内分泌、代谢和转录机制的调控。其中，转化生长因子-β（TGF-β）和胰岛素（Insulin）内分泌信号通路在神经元与体细胞间传递信号以控制行为。
SKN-1/Nrf转录因子家族在代谢稳态中发挥核心作用。在秀丽隐杆线虫中，存在SKN-1A、SKN-1B和SKN-1C三种亚型。SKN-1B特异性表达于两个化学感觉神经元（ASI）的细胞核，参与食物感知和代谢控制。此前研究发现，SKN-1B通过控制神经元-生理-行为轴，非细胞自主地利用TGF-β和胰岛素信号通路，并促进稳定的线粒体网络组织，从而增强雌雄同体的食物搜索行为。然而，SKN-1B在雄性中的功能尚不清楚。鉴于性别间行为优先级的差异，有必要探究SKN-1B是否以性别二态性方式调控行为、线粒体功能及转录程序。该研究旨在阐明SKN-1B在雄性中的角色，并揭示其如何协调性别特异性代谢与行为适应，为理解神经调节代谢和行为的性别特异性机制提供新见解。论文发表在《PLOS Genetics》。
**主要技术方法**
研究人员主要采用以下关键技术方法：1）利用秀丽隐杆线虫skn-1b(tm4241)缺失突变体特异性阻断SKN-1B亚型表达；2）通过荧光显微镜（包括共聚焦显微镜）和线粒体报告基因（myo-3::GFPmit）观察肌肉线粒体网络形态；3）使用PreSens OxoPlate进行呼吸测量法测定氧气消耗率，评估线粒体功能参数（基础呼吸、ATP合成耦联呼吸、质子漏、最大呼吸、非线粒体呼吸）；4）进行RNA测序（RNA-Seq）分析转录组差异，使用DESeq2进行差异表达分析，并通过k-means聚类、基因集富集分析（GSEA）和组织富集分析（TEA）解析转录程序；5）利用DAF-7::Venus报告基因和共聚焦显微镜定量TGF-β配体DAF-7的表达水平；6）通过RNAi敲低odr-10进行行为学实验（探索实验、离食实验、交配效率实验），样本来源为实验室标准品系（N2）和突变体，不涉及临床队列。
**研究结果**
**SKN-1B控制性别特异性食欲行为并促进雄性晚年交配**
研究人员通过探索实验发现，与雌雄同体不同，野生型（WT）和skn-1b突变体雄性探索行为相似，且突变体呈增加趋势（图1E-1F）。在无食物条件下，该效应依然存在（图1G）。离食实验表明，skn-1b突变雄性离开食物斑点的速度比WT更快（图1H），但当同时提供食物和雌雄同体或雌雄同体信息素时，突变体留在食物上（图1I-1J），提示其增强了寻偶行为。在成年第5天，skn-1b突变体的交配效率显著高于WT（22.5% vs 5%，p=0.02），且其探索行为未随年龄下降（图1L-1M）。尾部形态和精子数量无差异，排除这些因素。液体中摆动行为无差异，表明行为变化源于神经信号而非肌肉表型。
**神经元SKN-1B以性别特异性方式控制线粒体网络和功能**
在雌雄同体中，SKN-1B缺失导致肌肉线粒体网络紊乱，而在雄性中，WT和skn-1b突变体线粒体均保持良好组织（图2A-2B）。呼吸测量显示，skn-1b突变雌雄同体基础耗氧率（OCR）显著升高36%（p<0.001），且非线粒体OCR升高52%，但耦联效率下降；而skn-1b突变雄性的基础OCR无显著变化，但质子漏增加约120%，非线粒体OCR降低25%（图2F-2J）。ATP水平在两种性别中均无变化。这些数据表明SKN-1B在雌雄同体中维持线粒体功能效率，在雄性中则基本不必要。
**神经元SKN-1B控制性别二态性全身转录**
RNA-Seq分析显示，skn-1b缺失在雌雄同体中仅导致699个差异表达基因（DEGs），而在雄性中导致7916个DEGs（图3B-3C）。主成分分析（PCA）表明skn-1b对雄性转录组的影响远大于雌雄同体。k-means聚类鉴定出三个主要基因簇：簇1（339个基因）在两种基因型的雌雄同体中高表达，富含线粒体代谢和翻译相关基因；簇2（241个基因）在WT雄性中高表达，富含脂质代谢和神经肽功能；簇3（557个基因）在skn-1b突变雄性中高表达，富含应激反应和细胞骨架过程（图3E-3F）。组织富集分析显示这些基因在生殖系统、肌肉、神经等组织中富集。此外，在skn-1b突变雄性中，TGF-β配体daf-7和胰岛素配体（daf-28、ins-39、ins-37）表达改变，且化学感觉受体基因odr-10表达显著下调（Log2 fold change -3.09，p<0.05）（图4A）。
**SKN-1B调控雄性特异性神经内分泌信号以控制探索行为**
通过共聚焦显微镜定量DAF-7::Venus报告基因，发现skn-1b突变雄性中ASI和ASJ神经元的DAF-7水平均升高（图5D-5F），与daf-7 mRNA增加一致。odr-10 RNAi实验表明，odr-10敲低可增加WT雄性的探索行为，且与skn-1b突变无加性效应（图5G-5H），说明skn-1b和odr-10在同一通路中相互作用。这些数据表明SKN-1B通过调控DAF-7/ODR-10神经内分泌通路来控制雄性探索行为。
**讨论与结论**
讨论部分指出，SKN-1B在雄性中的转录效应远大于雌雄同体，可能源于雄性特异性表达于VA11神经元或更广泛的补偿反应。SKN-1B以性别二态性方式调节线粒体组织与功能：在雌雄同体中促进有序线粒体网络，在雄性中则无影响，这可能与雄性优先保证寻偶行为有关。雄性skn-1b突变体中广泛的代谢转录变化可能间接促进了晚年交配效率。尽管线粒体表型存在性别差异，但TGF-β和胰岛素信号通路在两种性别中均被激活，但仅在雄性中导致odr-10下调并驱动寻偶行为。SKN-1B的缺失改善了雄性衰老相关的生殖健康，可能与lov-1、pkd-2等交配相关基因上调有关。
结论部分翻译：总的来说，研究人员的发现确立了神经元SKN-1B作为秀丽隐杆线虫性别二态性代谢和行为调节的关键决定因素。通过协调性别特异性的转录程序，平衡能量代谢、觅食和繁殖，SKN-1B确保了生理适应雌雄同体和雄性面临的独特挑战。SKN-1B作为性别特异性神经开关，控制食物搜索和寻偶行为。该工作揭示了神经如何根据性别需求定制代谢和行为，为理解哺乳动物Nrf在脑中的性别特异性作用提供了线索。
