细胞粘附因子调控果蝇兴奋依赖性中枢投射图的机制研究

Topographic projection of afferent terminals into two-dimensional maps is essential for sensory systems to encode the locations of sensory stimuli. The synaptic connections in the topographic maps are highly specific. Not only are the gross parts of the sensory field represented topographically in CNS, neighboring neurons also project their axon terminals to adjacent locations in the map (i.e. fine-scale topography). It is known that while guidance cues are critical for establishing a coarse topographic map, neural activity directs fine-scale topography between adjacent afferent terminals. However, the molecular mechanism underlying activity-dependent fine-scale topography is poorly known. Studies in the Drosophila visual system have demonstrated that cell-adhension molecules direct fine-scale topography, but whether or not these molecules are involved in activity-dependent fine-scale topography remains to be determined. We recently reported that the nociceptive neurons (C4da neurons) in Drosophila larva form a topographic system. The establishment of this system is instructed by the level of neuronal activity in individual sensory neurons. Using this system, we found that the atypical cadherin Flamingo (Fmi) is required for establishing the C4da topographic map. We are thus testing the potential contribution of Fmi to activity-dependent fine-scale topography. Loss of fmi led to a topographic defect that is opposite to that caused by inhibiting neuronal activity. Inhibiting neuronal activity suppressed the topographic defect caused by loss of fmi. We are currently delineating the molecular pathway that mediates the regulation of fine-scale topography by Fmi and neuronal activity. This study has the potential to provide mechanistic insights into the molecular mechanism underlying activity-dependent fine-scale topography.

躯体感觉神经元投射至中枢，形成中枢投射图是感觉神经系统编码刺激信息的重要方式。感觉末梢投射至中枢后形成的突触联系具有高度特异性，这种特异性不仅表现在感觉末梢投射至体感代表区域内，而且也表现在相邻同种感觉神经元投射至中枢部位的精细差异。大量工作已证明，神经元兴奋性在感觉末梢中枢投射过程中起一定的调节作用，但其分子机制尚不清楚。最近我们报道了果蝇痛觉神经元的中枢投射是兴奋依赖性的投射，通过对这个投射过程的研究我们发现，细胞粘附因子在这个投射图的形成过程中起着重要作用。细胞粘附因子功能的缺失可导致此投射图发生紊乱，抑制神经元兴奋性则可弥补其功能缺失对此投射图造成的改变。本课题旨在研究神经元兴奋性与细胞粘附因子在调控痛觉神经元中枢投射过程中的相互关系，探索细胞粘附因子调控神经元中枢投射的机制，为揭示兴奋性在调控感觉神经元中枢投射过程中的分子机制奠定基础。

感觉神经系统的中枢投射图是感觉神经系统编码刺激信息的重要方式。而投射图的形成主要由两方面因素决定：一是在发育过程中感觉神经末梢的导向，一是感觉神经末梢与其突触后神经元建立正确的突触联系。目前为止，对相邻同种感觉神经元中枢投射差异的调控机制尚不明确。前期的研究中，我们发现了果蝇痛觉神经系统中枢投射图的存在，并确定其为兴奋依赖性，兴奋性-dTrim9信号通路对此投射图的形成具有指导性作用，但其调控的分子机制及突触后神经元对此投射图的影响尚不确定。兴奋性和细胞粘附分子对机体感觉神经系统发育过程的调控作用均有报道，但二者在调控神经发育过程中的关系却不为人知。在本课题的研究过程中我们发现，细胞粘附分子Flamingo在果蝇痛觉中枢投射图的形成过程中具有重要的调控作用。兴奋性-dTrim9信号通路在Flamingo缺失的情况下将会丧失其对痛觉中枢投射图的调控作用，Flamingo对兴奋性-dTrim9信号通路具有允许作用，决定了感觉神经元形成精细投射图的能力。此结果首次证明了细胞粘附因子与神经元兴奋性在神经发育过程中的关系，为揭示兴奋性调控神经发育和感觉形成机制的研究提供了重要的实验依据。此外，在本课题的研究过程中我们亦发现，突触后神经元在痛觉神经元中枢投射过程中亦具有重要的调控作用。果蝇的痛觉神经元在其初级中枢内有13个突触后神经元，即13个二级神经元。在果蝇发育过程中，我们应用基因遗传学技术移除其中一类突触后神经元--A08n时，痛觉中枢投射图显示了明显的异常表型，此表型与敲除痛觉神经元受体蛋白Wit十分相似，但具体的分子机制还有待于进一步深入研究。在研究过程中，我们亦将膜片钳技术引入果蝇研究，摸索了一套有效的检测二级神经元在感觉神经传导通路中作用的研究方法，形成了从形态到功能的一整套研究方案。为深入研究感觉神经发育的分子调控机制奠定了理论和实验基础。