動物的群體聚集是一個普遍的生物學現象，對動物的覓食、婚配、群體防御和抵抗天敵具有重要的意義。而蝗災的發生就是種群高度聚集引起的。蝗災發生時，一個蝗群往往會有十幾億只蝗蟲聚集。特別是近幾年蝗災在全世界再度大發生，引進人們對糧食安全和生態安全的擔憂。因此，認識蝗災的奧秘和控制蝗災，必須認識蝗蟲群聚的機制。飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲，也是造成蝗災的主要蝗蟲物種。飛蝗從低密度的散居型轉變為高密度的群居型，最重要的改變是發生聚群行為，進而推動大規模群體遷飛形成蝗災。
康樂院士團隊過去系列研究充分證明，多巴胺通路是控制飛蝗聚群行為轉變的關鍵分子機制。多巴胺是動物和人類大腦中含量豐富的兒茶酚胺類神經遞質，調控中樞神經系統的多種生理功能，與情欲、感覺、運動密切相關。該團隊最先發現，多巴胺及其合成過程中的關鍵基因是調控飛蝗聚群行為的重要機制（PNAS，2011）。進一步研究發現，多個microRNAs通過參與多巴胺的代謝或者信號轉導通路調節聚群行為（PLoS Genet.2014；Nat. Commun., 2018）。近期與河北大學陳兵等合作研究則發現，一個順式調節苯丙氨酸羥化酶基因轉錄的長鏈非編碼RNA（PAHAL）通過正反饋精確調控多巴胺的合成代謝和聚群行為響應（PLoS Genet.2021）。因此，聚群行為調節過程中的多巴胺生成可能由一個復雜的調控網絡精確控制。但是，多巴胺作為重要的神經遞質，它的生成或者修飾是否會引起蝗蟲群聚效應的改變尚不清楚。
實際上，動物的聚群行為和類似社會性行為可以響應環境變化在數十分鐘內發生逆轉，這需要非常高效精準的調控機制，包括在翻譯后水平特別是翻譯后修飾水平的調控，但生物體具體如何修飾調控這些神經分子（包括多巴胺）的活性以協調行為反應，從而應對復雜多變的環境，這方面還知之甚少。
最近，河北大學和中國科學院動物研究所的康樂及陳兵作為共同通訊作者在National Science Review在線發表題為“Sulfation modification of dopamine in brain regulates aggregative behavior of animals”的研究論文。該研究發現了一種調節行為可塑性的新機制，即神經遞質特別是多巴胺的硫酸化修飾（sulfation，一種II相代謝修飾），改變多巴胺的活性，高效調控飛蝗聚群行為；更重要的是，這種修飾系統對聚群類社會性行為的調節從低等動物（線蟲）到高等動物（老鼠）都是保守高效的。
大腦中發生硫酸化修飾時，磺基轉移酶(sulfotransferase)催化添加磺酸基(SO32-)到底物分子上，完成底物分子的硫酸化修飾，該磺酸基來自專一供體3'-磷酸腺苷5'-磷酸硫酸(PAPS)。他們的研究發現，PAPS合成過程有效誘導了蝗蟲的聚群行為轉變：遺傳或化學抑制PAPS合成促使行為從群居型轉變為散居型。相反，外部PAPS注射促進了散居型蝗蟲的聚群行為。對硫酸化催化過程進行遺傳的或藥理學的干預會導致顯著的散居效應。對底物特異的磺基轉移酶的分析表明，硫酸化的神經遞質廣泛參與行為反應。經過多輪實驗驗證后，多巴胺最終被確定為大腦中關鍵的硫酸化修飾結合底物，并且硫酸修飾增強了游離多巴胺介導的聚集行為。同時，硫酸化修飾系統對聚群類似的社會性行為的調控作用在秀麗隱桿線蟲和小鼠中也得到充分的證實。
該發現首次從代謝修飾層面揭示了硫酸化修飾作為一種高效調節神經遞質分子活性控制行為轉變的新機制，同時證明多巴胺及其合成途徑過程有多種方式調節動物的群聚行為。本研究也是第一次發現硫酸化修飾系統是參與動物行為可塑性調節的一般性機制，特別是在調節社會性行為方面作用顯著。過去報道多巴胺的硫酸化修飾主要發生在胃腸系統以促進消化或解毒，而本研究發現了大腦屏障內痕量多巴胺的硫酸化修飾及其高效的行為學調節功能，無疑拓展了人們對神經遞質修飾功能的新的認識。總之，該發現一方面揭示了控制飛蝗聚群發生的行為學奧秘，為蝗災防治提供了借鑒，另一方面，多巴胺途徑異常與人類的許多疾病密切相關，比如帕金森、阿爾茨海默病、抑郁癥及一些其他的行為上異常，因此，該發現揭示了一些類似神經和行為疾病的分子基礎，為藥物開發用于行為疾病治療提供新啟示。
陳兵和童希文為本論文的共同第一作者，康樂院士與陳兵教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和河北省高校百名優秀創新人才支持計劃等項目的資助。
文獻來源：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab163/6362627?guestAccessKey=f3cae47f-7df6-4d08-9bad-1c44c090d827
（生命科學學院、科學技術處供稿）
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