线虫水感受与趋避行为的神经环路及调控研究

Hygrosensation and hygrotaxis (or hygro-aversion) are important sensory and behavioral modalities in animals, which are essential for physiological homeostasis, survival and evolution. Thus, it is of significance to uncover the molecular basis for the sensation and circuits for the behavior. Our unpublished studies revealed the molecular mechanism and sensory neurons of hygrosensation and related behaviors. Basing on our existing works and discoveries, we are using a powerful model organism C. elegans to unveil the molecular and cellular basis for modulation of hygro-sensation and circuits for the hygro-aversion, a novel modalities of sense and behavior that we newly found in worms. The experimental methodologies that we are using and have developed include behavior analysis, genetic manipulations and analysis, neuron-type specific and conditional gene expression, experimental operations and controls of the neuronal activities by optogenetics and chemical genetics, genetic apoptosis and interruption of neurotransmission, in vivo imaging of neuronal activities.

水（湿度）感受与相应的趋避行为是机体重要的基本生理活动与行为，关乎机体的正常生理活动、生死与演化。对该感觉与行为的分子和神经回路机制的深入研究具有重要的理论意义。本研究团队以模式动物线虫为研究对象，揭示了水感受与趋避行为这一新的感觉与行为模式的分子机制，但是神经回路机制还有待研究。 基于申请者研究团队的前期研究结果、掌握、建立和发展的研究方法，本项目拟采用线虫水感受与行为分析法、基因操作与遗传分析、神经元类型特异性和条件性基因表达技术、神经元功能操控（光和化学遗传学方法、单神经元特异性凋亡和递质释放阻断）、神经元活动的在体显微荧光成像等技术方法，研究与揭示秀丽线虫水感受及其调控的分子机制、研究湿度趋避行为的神经环路与调控机制，为认识该感觉与行为模式提供坚实的实验依据。

水是组成机体和维持机体正常生命活动的基本物质。环境水分含量即湿度是影响动物机体的舒适程度、生理活动、行为、生存和进化的关键因子之一。本研究项目以模式动物秀丽线虫为模型，采用多种水感受与趋避行为分析法、基因操作与遗传分析、神经元类型特异性和条件性基因表达技术、神经元功能操控（光遗传学和化学遗传学方法、单神经元特异性凋亡和递质释放阻断）和神经元活动的在体荧光显微成像等技术方法，研究线虫水感受及其调控的分子机制及水趋避行为的神经环路与调控机制。. 项目研究取得了以下研究结果。（1） G蛋白偶联受体—G蛋白—鸟苷酸环化酶（DAF-11）—第二信使cGMP—cGMP门控离子通道（TAX-2/TAX-4复合体）介导了线虫对培养基质水含量感受与趋避行为；已鉴定到主要的水（高含水量）感受感觉神经元ASI、ASJ和ASK。三类神经元对水刺激的反应不同，ASI神经元为撤药反应（off-response）、SAK和ASJ神经元为给药反应。（2） 感觉神经元ASE参与水感受，其感觉信号转导为鸟苷酸环化酶GCY-22–cGMP–TAX-2/TAX-4信号系统。鉴定出第一层中间神经AIB和第二层中间神经RIM介导线虫的水回避反应。（3） 感觉神经元中多个机械敏感通道介导线虫对低水含量或“干”的感受。（4） 鉴定到多种神经肽参与调控线虫对水的感受与趋避行为。. 动物对湿度（或水含量）、温度、渗透压等重要的内外环境的感受，通常由多个感觉模式完成。这些感觉信息在中枢和外周神经神经系统中进行功能相互作用与信号整合，借此，对机体的生理活动与行为进行精确的调控，建立与维持机体生理功能的内稳态，保障个体的生存与种族的繁衍。目前，本项目尚未完成线虫“湿感觉”与“干感觉”信号整合神经回路机制与神经肽调控线虫水感受与趋避行为的神经回路机制研究。项目研究组正在深入研究，以完成全部研究内容。