The feeding behavior in Drosophila
- Overview of feeding behavior in Drosophila
在果蝇中，关于进食行为，对包括味觉、神经和生理过程在内的机制研究增进了对feeding这种简单又复杂的行为的理解。研究feeding行为的意义就在于进食是所有生物体中最基本的行为之一，任何生物的进食行为，都涉及到对外部环境的感知以及吃或不吃的决策过程，最终的目的是要达到饱足状态和内部能量的平衡。这部分主要想和大家分享一下以下几点：①利用果蝇研究进食行为的主要方法有哪些？②feeding的主要行为步骤以及相关的神经-肌肉调控是怎样的？③生理状态或高糖饮食情况下的营养感知影响feeding行为的相关机制？④最后，feeding如何影响其他行为（以睡眠为例）。
因为果蝇的体积很小，消耗的食物量也相对较少，为了精确测量食物的摄入，研究人员开发了一些方法来测量食物摄入量、与进食有关的行为或参与食物消耗的神经元的活动。包括比色法、与比色法相类似的一种方法是使用放射性标记的食物源对食物摄入量进行急性测量、利用毛细管动态测量食物摄入量、喙伸展反应以及电生理等。
类似于求偶行为有固定和规范的行为步骤，果蝇摄食行为也有相应的行为模块。“吃或不吃”是果蝇进食决策中很重要的一部分，果蝇进食行为的激活取决于其对食物的感知以及自身的营养反馈。有吸引力的刺激比如甜味会触发喙向食物的延伸，而厌恶的刺激比如苦味会阻止喙的伸展。喙伸展反应是一种固有、连续的行为，这个看似简单的动作也涉及到复杂的行为和神经机制，这种动作序列需要在伸喙反应的不同时间点激活不同的肌肉群，支配喙部肌肉的运动神经元MNs主要位于一个特定的大脑区域，食管下区（SEZ），每个大脑半球至少有20个不同的运动神经元MNs控制着喙部十多个肌肉群的激活。果蝇进食行为由固定、连续的动作序列组成，其中，喙伸展反应（PER）通过中枢回路招募单个运动神经元来激活特定的喙伸展行为序列；唇部机械感觉神经元（内侧/外侧）通过NOMPC这种机械感受蛋白、两种神经元在时间上的先后激活控制两个相反的进食行为。
果蝇通过调节摄食行为可塑性达到代谢平衡状态，往往需要依赖以下几个方面：通过味觉等对食物和外部环境的感知；另外，一些神经肽在摄食行为中参与调节摄食决策的可塑性，胰岛素信号通路通过对自身营养状态的感知也就是内部生理代谢需求而决定是否进食。果蝇进食行为依赖于对自身营养的感知，高糖饮食会改变甜味感知神经元兴奋性（OGT活性上调），使得果蝇对甜味的感知变得迟钝，进而导致过度进食和肥胖；另外，高糖饮食这种不健康饮食习惯的影响会通过基于组蛋白H3K27me3的跨带表观遗传机制遗传给后代。
饱食和饥饿状态决定了睡眠和觅食之间的平衡。进食可以促进睡眠，而饥饿抑制睡眠。侧角LK神经元LHLK在饥饿条件下变得活跃，其活性取决于循环葡萄糖的水平以及在这些细胞中表达的translin基因（饥饿上升表达的一种易位蛋白基因）的上调。重要的是，胰岛素生成细胞IPC表达LK受体并接受来自LHLK神经元的输入。与饱食条件相比，饥饿条件下，IPC产生的果蝇胰岛素样肽DILPs水平降低，DILPs的一个关键下游靶点是SOG中的一对双侧神经元，DILP表达的抑制导致AKH（脂肪运动激素）激活，从而抑制睡眠，促进运动。同样，饱食条件下，循环葡萄糖水平调节LHLK的活性，通过LK向LK受体细胞发出信号进而促进睡眠。总结来说，进食和睡眠是相排斥的两种行为，进食可以促进睡眠，而饥饿可以抑制睡眠，其中，侧角LHLK神经元通过感知葡萄糖水平并通过LK受体将信号传递到下游，进而调控饱食或饥饿条件下的睡眠行为。
- Peripheral perception of major nutrients
生物体避免有毒有害化学物质并从其环境中寻求营养物质的能力对其生存和健康起着核心作用。环境线索的存在或不存在是通过果蝇体内存在的几种化学感受器来感知的。味觉感知在感知和传递环境细节方面起着至关重要的作用。环境中的常量营养素和微量营养素都是通过味觉受体神经元(GRN’s)中表达的多个味觉受体(GRs)来感知的。这些GRN存在于类似感受器的结构中，而这些结构又存在于几种不同的组织类型中。果蝇中有四种不同类型的GRN对四种不同的味觉物质有反应:糖、水、低盐浓度和高盐浓度。对高盐浓度有反应的细胞也参与苦味化合物的检测，并且主要参与厌恶进食。对果蝇基因组的分析显示，通过选择性剪接过程，一个60个GR基因家族共编码了68个GR蛋白。这些果蝇GR蛋白与嗅觉受体密切相关，属于g蛋白偶联受体家族，具有7个跨膜结构域，包含480个氨基酸残基。GRs位于雄性和雌性身体的不同部位的外部以及内部。在成年果蝇的外部，味觉感受器位于身体部位，如腿、前翼缘和唇瓣。除了味觉感受器外，唇瓣还含有味觉感知的味觉钉。在雌性中，产卵器周围的味觉感受器使它们能够感知产卵的首选营养地点。与雌性相比，雄性在前腿上拥有更多的味觉感受器，这有助于它们感知信息素，从而促进雄性求偶。在果蝇体内，一些受体也在中肠的肠内分泌细胞中异质表达，用于食物摄取、营养吸收和糖稳态。
果蝇能辨别包括糖，氨基酸，脂肪酸在内的多种营养物质。Gr5a和Gr64a是唇瓣中用于检测糖的主要受体。果蝇通过IR76b对氨基酸产生应答，尤其是交配后的雌性果蝇。Ir56d, IR25a和IR76b是检测脂肪酸所必需的。
3、Modulation of plasticity in feeding behavior
行为可塑性是指由于外部影响而发生的变化，包括适应、学习、记忆和早期生活经验的持久影响。两种行为可塑性:“发育性”，基因/环境相互作用来影响表型。发育是指一个基因型在不同的环境中表达不同的行为表型，与“学习”有关，这些过程发生在经验中，可能涉及肌肉骨骼的变化。“激活性”，指先天生理，可涉及机体的结构生理变化。激活可塑性是先天的或生理上的，涉及到潜在的网络。果蝇的摄食行为是由一系列的行为模块组成的，其中涉及到发育和激活的行为可塑性，并受到环境的影响。
外周味觉受体主要参与味觉检测过程，而参与进食过程的神经肽负责进食决策过程。化学受体、内部代谢状态和神经肽共同影响进食决策。一些神经肽参与刺激食物摄入，另一些神经肽起拮抗作用，阻碍进食过程。Hugin、Drosophila Neuropeptide F (dNPF)、structurally related neuropeptide F (sNPF)、corazonin、leucokinin (LK)、drosulfakinin (DSK)、allatostatin A (AstA)是参与调节进食行为的不同神经肽。
在这一部分，我们首先关注外部刺激的环境如何影响先天行为，例如水果气味如何抑制果蝇对二氧化碳的厌恶。其次阐述了果蝇的内部生理状态，特别是饱腹感水平，调节进食行为的神经调节机制。
- 外部环境：水果的气味抑制果蝇对二氧化碳的厌恶
果蝇天然厌恶二氧化碳气味，但是水果会释放出低浓度的二氧化碳。二氧化碳可被ab1C嗅觉受体神经元（ORNs）检测到。ab1C ORNs的激活导致了激烈的厌恶行为反应。第一，有水果气味存在时直接抑制ab1C ORNs的反应。有两种抑制机制，一种作用在ab1C上，另一种作用在ab1C与其邻近的ORN之间。前一种作用于定位于ab1C树突上的二氧化碳受体复合物（Gr21a/Gr63a）。某些水果气味可以直接与Gr21a/Gr63a相互作用，抑制ab1C对二氧化碳的反应。后一种作用于ab1A，它与ab1C位于同一个感受器内，果实气味对ab1A的强烈激活可能会减弱ab1C对二氧化碳的反应。
第二，当ab1C激活后，二氧化碳输入通过ab1C轴突传递到触角叶，ab1C末梢与投射神经元（PNs）形成突触，PNs是将二氧化碳信息传递到大脑高级区域的主要输出神经元。抑制性GABA能神经元接收来自多种ORN类型的兴奋性输入，包括对水果气味有反应的输入，从而减弱来自V型嗅小球的PN的反应，这一机制可能是通过激活PN树突上的GABAA受体。
第三，多种类型的PNs共同支配V型嗅小球。其中，两类PN是果蝇对低浓度（0.5%）和高浓度（2%）二氧化碳的行为厌恶的主要原因。PNv-1对低浓度的二氧化碳有反应，而PNv-2对不同浓度的二氧化碳表现出分级的反应。在侧角，一些接收PNv-1输入的更高阶神经元可以被另一种PN类型（PNv-3）抑制。PNv-3是GABAergic，可能属于果蝇嗅觉回路中的平行抑制通路。PNv-3的树突支配多个嗅小球，包括被水果气味激活的嗅小球。因此，水果气味激活PNv-3，选择性地抑制PNv-1神经元，而不影响PNv-2通路，从而介导对高浓度二氧化碳的厌恶。
- 内部环境：饱腹感状态调节果蝇的进食行为
饥饿通过提高嗅觉输入来调节进食：sNPF及其受体sNPFR1都在果蝇ORNs的一个亚群中表达。其中，DM1ORNs是促进果蝇觅食行为的必要和充分条件。通过下调胰岛素信号通路，饥饿增加了ORN轴突末端sNPFR1的表达，从而加强了DM1中的ORN-PN突触传递。因此，饥饿增强了DM1对水果气味的反应，从而触发了饥饿果蝇的更强烈的觅食行为。
饥饿通过增强味觉敏感性来调节摄食：短期饥饿增强了食管下神经节中Gr5aGRN的反应，这是果蝇大脑的主要味觉中心。饥饿导致SOG中的多巴胺释放，从而激活Gr5a突触前终端的多巴胺受体（DopEcR），促进Ca2+内流。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by 陈江涛 苏祥彬 李子奇