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本文聚焦于生态特化果蝇（D. sechellia），利用遗传工具对比其与普通果蝇（D. melanogaster）的嗅觉投射神经元（PNs）。研究发现，虽多数 PNs 形态保守，但在与宿主气味检测相关的神经通路中存在重连现象，为理解神经回路进化提供关键线索。
研究背景
动物为适应特定生态位，会展现出匹配环境需求的行为模式，其背后是复杂的神经回路在起作用。比较神经科学中，研究非模式生物的神经回路进化备受关注。果蝇的嗅觉系统因具有明确的神经通路和刻板的神经解剖学特征，成为研究物种间神经回路差异的理想模型。
D. sechellia是一种生态特化果蝇，高度适应以诺丽果（Morinda citrifolia）为食的生活，相比其近亲D. melanogaster和D. simulans，在嗅觉受体等方面发生了变化，如嗅觉受体（Or22a 和 Ir75b）的特定氨基酸改变，增强了对宿主气味的敏感性，且相关嗅觉感觉神经元（OSNs）数量也有所增加。然而，目前对其中枢嗅觉通路的相关变化了解有限。
实验方法
- 建立 PN 标记工具：为对比同源 PN 细胞类型，在D. sechellia中开发多种转基因工具。通过随机 piggyBac 整合和 CRISPR - Cas9 介导的同源重组，在D. sechellia基因组中引入attP序列，建立多个定点转基因位点。测试多种来自D. melanogaster的 Gal4 转基因，发现它们在D. sechellia中能忠实再现其表达模式，可用于标记同源 PNs。此外，还基于 Flp 重组酶介导的终止盒切除，生成转基因系用于随机细胞标记，为研究单个神经元形态提供了有力工具。
- 单细胞重建D. sechellia PN 形态：解剖超 800 个D. sechellia大脑，经筛选得到 133 个高质量 PNs 数据集。依据在D. melanogaster中建立的惯例，按树突分支模式将 PNs 分为单肾小球（uPNs，包括 uni - 和 uni+-PNs）和多肾小球 PNs（mPNs，包括 oligo - 和 multi - glomerular 类型）。利用 NBLAST 分析对 PNs 进行分类，结合 AL 肾小球分割和树突支配模式，最终确定 26 种不同的 PN 细胞类型。研究发现，D. sechellia PNs 在 LH 分支中存在刻板性，表明其细胞形态和潜在突触连接的遗传硬连线是保守特征。
- 比较D. sechellia和D. melanogaster的 PN 形态：计算D. sechellia参考大脑和D. melanogaster参考大脑注册时的雅可比行列式，评估大脑区域变形程度，发现 AL 和中央复合体部分区域差异较大，但 MB 和 LH 区域差异不明显，支持在同一大脑空间中定量比较 PN 分支。对 mPNs 和 uPNs 进行种间比较，发现部分 mPNs 如 mlPN2 和 mlPN3 在D. sechellia中分支表型改变，madPN2 在D. sechellia的 LH 中形成更复杂轴突分支。部分 uPNs 如 DM2 和 VM5d PNs 在D. sechellia中出现新的轴突分支，且 VM5d PNs 在D. sechellia中 LH 分支减少，其新分支与 DM2 PNs 共同指向大脑前内侧区域，该区域与诺丽果气味检测相关。
- 研究D. sechellia VM5d PNs 的布线差异：使用GMR86C10 - Gal4转基因确认 VM5d PNs 在D. sechellia中的新前内侧分支。在 AL 中，D. sechellia的 VM5d 肾小球位置更内侧且体积更大，其 PNs 树突常分支到其他肾小球，而D. melanogaster中未检测到这种情况，表明 VM5d PNs 在D. sechellia中存在轴突和树突布线改变。
- 确定前内侧 PN 轴突靶向特征：研究发现，只有D. sechellia的 PNs 在 LH 前内侧区域有染色，D. simulans中未检测到。在D. sechellia与D. simulans或D. melanogaster的杂种中，也未检测到类似D. sechellia的分支表型，表明改变的 PN 轴突分支是D. sechellia特有的隐性性状。
- 检测诺丽果气味诱发的活动传递：通过双光子钙成像，发现D. sechellia在呈现诺丽果气味时，前内侧分支区域有强烈反应，且 VM5d 和 DM2 PNs 对各自特异性气味有反应，表明诺丽果反应性通路在D. sechellia中形成特定连接，对下游回路解释诺丽果气味具有功能相关性。使用UAS - Brp - shortmStraw转基因标记突触活性位点，发现前内侧 PN 分支中有分布式点状染色，表明这些分支可能形成功能性突触。
研究结论
- 本研究利用遗传工具对比D. sechellia和D. melanogaster的中枢神经元，揭示了嗅觉 PNs 在多数细胞类型中形态保守，但在与宿主气味检测相关的特定细胞群体中存在重连现象。
- D. sechellia中 DM2 和 VM5d PN 群体的轴突重连，可能是对诺丽果检测的适应性特征，这种解剖学上的趋同可能与它们在检测诺丽果气味中的共同功能有关。
- VM5d PNs 在D. sechellia中的轴突和树突布线改变，可能具有共同的遗传基础，影响其生理反应特性。
- 本研究建立的遗传工具集为果蝇的遗传操作提供了更强大的手段，有助于深入研究其他神经回路的进化，如参与物种特异性行为的交配回路等。同时，对D. sechellia其他表型特征的研究，如味觉、产卵、代谢等，也将受益于这些工具。
研究展望
未来研究可进一步测试已建立的Dsec attP位点与靶向不同回路的增强子 - Gal4 驱动的兼容性，评估cis - 调控输入。改进神经元重建方法，提高对精细过程的捕捉能力，完善D. sechellia嗅觉 PN 连接组的研究。深入探究物种特异性布线在发育过程中的建立机制，以及其对果蝇行为和生态适应性的影响。
