研究人员发现识别多巴胺信号中的关键基因参与者

　　多巴胺是一种强大的大脑化学物质和神经递质，是许多重要功能的关键调节器，如注意力、体验愉悦和奖励以及协调运动。

　　

多巴胺是一种强大的大脑化学物质和神经递质，是许多重要功能的关键调节器，如注意力、体验愉悦和奖励以及协调运动。大脑通过一系列基因严格调节多巴胺的产生、释放、失活和信号传导，这些基因的身份和与人类疾病的联系不断扩大。

与多巴胺信号改变相关的脑部疾病包括物质使用障碍、注意缺陷多动障碍(ADHD)、自闭症、双相情感障碍、精神分裂症和帕金森病。人类大脑及其多巴胺相关疾病的复杂性促使许多研究人员从更简单的生物体中寻求见解，这些生物体的基因与人类的基因有着惊人的相似性，在那里可以更有效、更廉价地寻求对疾病进行遗传见解的机会。

在一种名为秀丽隐杆线虫的微小透明蠕虫的帮助下，佛罗里达大西洋大学的研究人员利用百万突变项目(MMP)生成的强大平台，根据突变基因的功能影响快速识别突变基因，发现了多巴胺信号中的新参与者。

MMP的关键资源是收集了2007种携带化学诱导基因突变的蠕虫菌株。每个菌株的基因组都已完全测序，信息已存档并可通过网络访问，所有菌株都可用于研究。总的来说，MMP收藏或“图书馆”包含超过80万个独特的基因变化。平均而言，蛔虫基因组中的每个基因大约有八种不同的突变，这些突变会改变产生的蛋白质，这为将基因破坏与生理和行为变化联系起来提供了多种机会。

"与啮齿类动物模型相比，我们转向秀丽隐杆线虫来更有效地阐明神经信号的遗传、分子和细胞基础。事实证明，秀丽隐杆线虫中参与多巴胺调节的蛋白质在整个进化过程中是高度保守的，这表明，从一个具有更简单‘大脑’的更简单的生物体中吸取的经验教训，可以为多巴胺相关疾病或如何更好地治疗这些疾病提供线索。”Randy D. Blakely博士说。

大约20年前，Blakely研究小组发现，当多巴胺信号发生改变时，蠕虫的行为发生了深刻的变化，这种变化被称为游泳诱发性麻痹(Swip)。

Blakely说:“我们发现，无法限制多巴胺的作用，导致蠕虫在水中几分钟内就冻结了，而正常的蠕虫会在水中折腾长达60分钟或更长时间。”

为了找到与多巴胺信号有关的新基因，第一作者、前研究助理教授Osama Refai博士;论文合著者、研究生小彼得·罗德里格斯(Peter Rodriguez, Jr.);和共同作者兼研究助理Zayna Gichi，都在布莱克利实验室，测试了MMP库中的300行，以找到表现出Swip行为的蠕虫。他们使用多巴胺信号阻滞剂来观察蠕虫是否能恢复游泳，从而证实过量的多巴胺信号是导致它们游动的原因。从那时起，由于该菌株的突变已经被映射到特定的基因上，研究小组可以非常迅速地确定导致瘫痪的基因变化。

这项工作的结果发表在《神经化学杂志》上，其中包括编码多巴胺转运蛋白(dat-1)的蠕虫基因的新突变，多巴胺转运蛋白的功能是在释放多巴胺后从突触中抽走，这在以前被用于识别Swip表型。

Blakely说:“虽然在dat-1基因中发现突变并没有达到我们的目标，但这一发现给了我们信心，我们的筛选工作达到了预期的效果，而且在其他Swip基因系的突变基因组中，我们可能会有新的发现。”

事实上，进一步的Swip筛选揭示了一个令人惊讶的基因，其突变在蠕虫和人类中产生Swip，导致一种罕见的遗传疾病，称为Bardet-Biedl综合征(BBS)。BBS突变发生在多种蛋白质中，这些蛋白质一起作为一个更大的蛋白质复合物发挥作用，称为BBSome。Blakely的研究小组发现，在所有蠕虫的BBSome同源物中，突变都会产生Swip，这与一种更大的蛋白质复合物的作用是一致的。

已知BBSome蛋白复合物在细胞内的蛋白质和脂质运输中起着至关重要的作用，特别是在许多被称为初级纤毛的细胞中具有的微小的毛发状延伸。蠕虫的多巴胺神经元拥有初级纤毛，使蠕虫能够通过触摸来感知周围的世界。

在过去的几年里，科学家们发现，哺乳动物大脑中的许多(如果不是全部的话)神经元都有初级纤毛，它们也可以调节细胞信号。根据Blakely的说法，一些蛋白质在起作用，确保这些突起携带适当数量和种类的通道和受体，这些通道和受体将决定细胞信号传导的能力。

“我们的研究结果表明，蠕虫多巴胺神经元中BBS-1的缺失会导致神经递质发出过多的信号，这种神经递质会抑制控制运动的运动神经元。我们正在考虑的一种机制涉及到BBS-1和其他BBSome蛋白在护送dat-1编码蛋白到细胞表面的作用，以保持细胞外多巴胺水平低，从而不允许完全关闭运动。事实上，在早期的筛选中，我们发现了另一种基因，其突变正是以这种方式起作用的，我们发现在我们的BBS-1突变体中过度表达这种基因可以拯救整个游泳行为。”

在之前的研究中，Blakely和他的团队使用化学诱变技术使蠕虫的基因组发生突变，以发现Swip突变体。尽管在这些努力中，研究小组花了六个月或更长时间才确定了真正的“大海捞针”，在构成蠕虫基因组的数百万个DNA碱基中寻找单个DNA碱基的变化。

“与我们之前的筛选工作相比，基于MMP的方法使我们的速度显著提高。我们可以简单地查找这条线上已知的突变，然后通过直接测试特定的候选基因来缩小罪魁祸首基因的范围，而不是绘制和排序来识别菌株中的突变，”Blakely说。

利用MMP文库，研究人员能够在300个MMP菌株中筛选超过23000个单核苷酸突变，并在确定一条显示多巴胺依赖性Swip的菌株后几天内提名候选基因。研究人员最初的行为筛选工作覆盖了大约15%的MMP文库，并鉴定了10个菌株，其中9个现在正在等待新的基因鉴定。

“考虑到多巴胺信号改变对多种神经行为障碍的重大医学影响，对BBSome蛋白如何调节多巴胺转运蛋白的进一步研究可能会带来新的治疗策略，”Blakely说。