神经元中 fru 和 Clk 转录因子对果蝇行为节律及求偶行为的影响

为探究 fruXClk 神经元在行为节律和求偶行为中的作用，研究人员以果蝇为对象，发现其影响雄性昼夜节律和求偶行为。

　　在奇妙的动物世界里，生殖行为和昼夜节律之间有着千丝万缕的联系。就拿果蝇来说，一天中的不同时刻会影响它们的交配时机，而交配行为又反过来对其日常活动模式和睡眠产生作用。在果蝇体内，负责生殖和昼夜节律的神经元网络大多是相互独立的，但有一些神经元表达着主控转录因子，这些因子同时参与生殖和昼夜节律的调控，所以推测这些神经元在两个过程中都发挥着作用，或是充当连接两者的桥梁。其中，由 period（per）、timeless（tim）、Clock（Clk）和 Cycle（Cyc）编码的一组转录因子构成了调控昼夜节律的反馈回路，而性别决定层级基因 fruitless（fru）则编码在雄性和雌性生殖行为中起关键作用的性别特异性转录因子。

此前的研究发现，在果蝇中存在同时表达 fru 和 Clk 的神经元（fru^XClk 神经元），但对于它们在产生行为节律性别差异以及生殖行为中的具体作用，仍有待深入探索。为了揭开这些谜团，佛罗里达州立大学医学院生物医学系的 Anthony Deluca、Brooke Bascom 等研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《iScience》杂志上。

在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。首先是遗传标记技术，通过 MultiColor FlpOut（MCFO）这种依赖 fru - Flp 和 Clk - Gal4 表达的标记方法，结合共聚焦显微镜，能够清晰地观察到 fru^XClk 神经元及其投射。其次，利用 FlyWire 连接组数据库，对 fru^XClk 神经元进行分类，确定它们在神经连接中的位置和特征。另外，研究人员还采用了基因操作技术，如过表达或敲低特定基因，以及使用 trans - Tango 报告系统来识别 fru 突触靶点，以此探究这些神经元在行为中的功能。

研究结果如下：

1. fru^XClk 神经元的特征：通过 MCFO 标记技术观察发现，fru^XClk 神经元在 DN1s、DN3s 和 LNds 等神经元亚群中有表达，且其投射在原脑区域，部分会穿过中线。同时，在食管下区（SEZ）、升中束神经元和腹神经索（VNC）中也发现了这类神经元。进一步研究还确定了 fru 与其他核心时钟基因的交集，以及与已知在核心时钟神经元中表达的神经肽基因的重叠情况。
2. fru^XClk 神经元数量的性别差异及调控：研究发现，雄性的 fru^XClk DN3 神经元数量比雌性更多。通过对不同 Fru^M亚型的过表达实验，发现 Fru^MB过表达会增加雌性 fru^XClk DN3 神经元数量，但雄性仍显著多于雌性；Fru^MA过表达则会减少雄性 fru^XClk DN3 神经元数量，使两性神经元数量差异消失。此外，研究一个严重的 fru 低表达等位基因组合时发现，雄性 fru^XClk DN3 神经元数量会减少到与雌性相同。
3. 昼夜节律网络中 fru 突触靶点的性别二态性：运用 trans - Tango 报告系统，研究人员确定了 Clk - Gal4 神经元的 fru 突触靶点。结果显示，在雄性大脑和 VNC 中，fru 突触靶点的数量和位置存在性别差异，雄性大脑中的神经元数量更多，且在不同脑区的分布也有所不同。
4. fru^XClk 神经元活动对昼夜节律周期的影响：激活或沉默 fru^XClk 神经元的实验表明，在持续黑暗条件下，激活该神经元会使雄性果蝇的昼夜节律周期显著缩短，而雌性果蝇则与对照组相似；沉默该神经元同样会使雄性和雌性果蝇的昼夜节律周期缩短。进一步研究发现，这种现象可能是由于 fru^XClk 神经元对核心起搏器 sLNvs 的反馈作用，导致 Per 蛋白循环发生相移。
5. fru^XClk 神经元活动对活动水平和生殖行为的影响：在 12 小时光照和 12 小时黑暗条件下，激活 fru^XClk 神经元会增加雄性果蝇的夜间活动；沉默该神经元则会使雄性和雌性果蝇在光照开启后活动减少得更快。在求偶行为方面，激活 fru^XClk 神经元会显著增加雄性果蝇的整体求偶行为和每分钟交配尝试次数，但对求偶行为的时间分布影响不大。研究还发现，雄性果蝇的求偶活动在光照开启时达到峰值。

研究结论和讨论部分指出，fru^XClk 神经元对雄性果蝇的昼夜节律周期长度和求偶行为有着重要影响。激活和沉默该神经元均导致雄性果蝇昼夜节律周期缩短，这表明这些神经元的活动调节对于维持正常昼夜节律至关重要。雄性拥有更多的 fru^XClk DN3 神经元，这可能是导致雄性昼夜节律表型更强的原因。此外，研究还发现了昼夜节律和求偶行为之间的联系，激活 fru^XClk 神经元会改变交配尝试的频率，这暗示着 fru^XClk 神经元在求偶行为的时间调控中发挥着作用。

总的来说，这项研究揭示了同时参与昼夜节律和生殖行为调控的 fru^XClk 神经元，如何以性别特异性的方式影响果蝇的行为，为理解神经回路如何交叉影响不同行为提供了新的视角，也为后续进一步研究这些神经元在其他行为范式中的作用奠定了基础。