徐 剛, 葉恭銀

(1. 揚(yáng)州大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225009; 2. 浙江大學(xué)昆蟲(chóng)科學(xué)研究所, 水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物病蟲(chóng)分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310058)

在脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物中，多巴胺(dopamine, DA)是一種重要的兒茶酚胺神經(jīng)遞質(zhì)(catecholamine neurotransmitter)。在哺乳動(dòng)物中，DA與多種神經(jīng)性疾病有關(guān)，如帕金森綜合癥(Parkinson’s disease)、精神分裂癥(schizophrenia)、阿爾茨海默氏癥(Alzheimer’s disease)以及藥物成癮(drug addiction)等(Kleinetal., 2019)。在昆蟲(chóng)中，DA參與調(diào)控取食(feeding)、學(xué)習(xí)(learning)、記憶和遺忘(memory and forgetting)、求偶與交配(courtship and copulation)、睡眠與覺(jué)醒(sleep and arousal)和相變(phase change)等多種行為(Verlinden, 2018)。

1957年，Kathleen Montagu通過(guò)紙色譜分析法在人的大腦中首次鑒定到了DA，之所以命名為多巴胺，是因?yàn)樗菃伟?monoamine)，且合成前體為左旋多巴；1958年，Arvid Carlsson和Nils-?ke Hillarp在瑞典國(guó)家心臟研究所的化學(xué)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)室首次確定了多巴胺具有神經(jīng)遞質(zhì)的功能(Benes, 2001)。Arvid Carlsson在2000年被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，因其證實(shí)了DA不僅是去腎上腺素(norepinephrine)和腎上腺素(epinephrine)的合成前體，其本身也是一種神經(jīng)遞質(zhì)。

在生物中，DA在多巴胺神經(jīng)元(dopaminergic neurons, DANs)中合成，并釋放到突觸間隙，通過(guò)特異性地激活位于突觸后膜上的多巴胺受體(dopamine receptors, DARs)來(lái)發(fā)揮作用(Verlinden, 2018)?；诮Y(jié)構(gòu)、藥理學(xué)和生化特性，脊椎動(dòng)物有兩大類(lèi)DARs，即D1-like DARs和D2-like DARs；其中D1-like DARs包含D1和D5受體，它們被激活后，偶聯(lián)Gs型蛋白，引起胞內(nèi)環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)含量的升高；D2-like DARs包含3種DARs，即D2, D3和D4，它們被激活后偶聯(lián)Gi型蛋白，導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP含量的降低(Beaulieu and Gainetdinov, 2011)。在昆蟲(chóng)中，至今為止有4種DARs被克隆得到，參照脊椎動(dòng)物DARs的分類(lèi)方法，昆蟲(chóng)DARs可分為D1-like DARs, D2-like DARs和多巴胺/蛻皮激素受體(dopamine/ecdysteroid receptor, DopEcR)(Srivastavaetal., 2005; Verlinden, 2018)；其中D1-like DARs包含兩種亞型即DOP1和DOP2，D2-like DARs只有一種亞型DOP3，而DopEcR可以同時(shí)被DA和蛻皮激素激活。近年來(lái)，隨著組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及CRISPR/Cas9技術(shù)已經(jīng)在多種昆蟲(chóng)中被成功地應(yīng)用(Sunetal., 2017; Taningetal., 2017; Pietrantonioetal., 2018)，這些都將推動(dòng)DA在昆蟲(chóng)中生理功能與行為調(diào)控的研究以及昆蟲(chóng)DARs的藥理學(xué)與生理學(xué)研究等。尤其在模式昆蟲(chóng)黑腹果蠅Drosophilamelanogaster中，借助豐富的遺傳學(xué)操作手段有大量DA的相關(guān)研究(Karametal., 2019)。本文結(jié)合DA最新的研究進(jìn)展，主要從昆蟲(chóng)中DA的調(diào)控，多巴胺神經(jīng)元，以及DARs的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、進(jìn)化、藥理學(xué)特性與生理學(xué)功能等方面進(jìn)行綜述。

1 DA的調(diào)控

1.1 DA的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解

DA作為神經(jīng)遞質(zhì)，在生物中的濃度是被嚴(yán)格調(diào)控的，首要手段是控制其合成速率。昆蟲(chóng)生物胺中，DA、章魚(yú)胺(octopamine, OA)和酪胺(tyramine, TA)的合成底物均為酪氨酸(tyrosine)，是含有鄰苯二酚的胺類(lèi)產(chǎn)物，因此又可稱為兒茶酚胺(catecholamine)(吳順?lè)驳? 2013)。酪氨酸在酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase, TH)作用下生成左旋多巴(L-3,4-dihydroxyphenylalanine, L-DOPA)，TH是DA合成的限速酶，L-DOPA在多巴脫羧酶(DOPA decarboxylase, DDC)的作用下生成DA(Nohetal., 2016b)(圖1)。

圖1 昆蟲(chóng)中DA的合成和降解 (改自吳順?lè)驳? 2013)

DA一旦合成后，在囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(vesicular monoamine transporter, VMAT)的作用下，從細(xì)胞胞質(zhì)(cytoplasm)轉(zhuǎn)運(yùn)到突觸囊泡(synaptic vesicles)儲(chǔ)存(Yaffeetal., 2018)。DA先被儲(chǔ)存在囊泡內(nèi)，直至動(dòng)作電位(action potential)觸發(fā)囊泡與細(xì)胞膜融合繼而通過(guò)胞吐作用(exocytosis)將DA從突觸前末梢(presynaptic terminal)泵出到突觸間隙(synaptic cleft)(Gainetdinovetal., 2018)。一旦被釋放到突觸間隙，DA便會(huì)特異性地結(jié)合位于突觸后細(xì)胞(postsynaptic cell)膜上的DARs，引起信號(hào)從突觸前細(xì)胞傳播到突觸后的神經(jīng)元中，引起下游的生理反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程是相當(dāng)短暫的；位于突觸前末梢質(zhì)膜上的多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(dopamine transporter, DAT)將突觸間隙的DA再吸收(reuptake)到突觸前細(xì)胞內(nèi)，可以終止其過(guò)度反應(yīng)(Wangetal., 2015)。當(dāng)DA被轉(zhuǎn)運(yùn)到突觸前細(xì)胞的胞質(zhì)后，便會(huì)被VMAT重新組裝到囊泡中儲(chǔ)存(Lawal and Krantz, 2013)。

在脊椎動(dòng)物中，DA的降解主要是3種酶的作用，單胺氧化酶(monoamine oxidase, MAO)、乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH)和兒茶酚胺-氧位-甲基轉(zhuǎn)移酶(catechol-O-methyl transferase, COMT)。在脊椎動(dòng)物中，DA在MAO的脫氨基作用下生成3,4-二羥基苯乙醛(3,4-dihydroxyphenylacetaldehyde, DOPAL)，ALDH催化DOPAL生成3,4-二羥基苯乙酸(3,4-dihydroxyphenylacetic acid, DOPAC)，進(jìn)一步在COMT的作用下氧位甲基化生成高香草酸(homovanillic acid)(Eisenhoferetal., 2004)。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，還未克隆到MAO(Kutchko and Siltberg-Liberles, 2013)。昆蟲(chóng)DA的降解主要依賴于N-β-丙氨?；?、N-乙?；脱趸摪被饔玫让附馔緩?。DA在N-β-丙氨酰多巴胺合成酶(NBAD synthetase, ebony)的催化作用下生成N-β-丙氨酰多巴胺(N-β-alanyl dopamine, NBAD)，但這個(gè)過(guò)程是可逆的，NBAD可以在N-β-丙氨酰多巴胺水解酶(NBAD hydrolase, tan)作用下重新生成DA(Nohetal., 2016b; Rebeiz and Williams, 2017)。DA也可在芳香烷基胺-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(arylalkylamine N-acetyltransferases, aaNATs)催化下生成N-乙酰多巴胺(N-acetyl dopamine, NADA)(Nohetal., 2016b)(圖1)。另外，DA也能被漆酶2(laccase2)氧化成多巴胺醌(dopaminequinone)進(jìn)行降解(Nohetal., 2016b)(圖1)。

1.2 DA代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體的生理作用

TH和DDC是DA合成過(guò)程中的兩個(gè)重要酶，已在多種昆蟲(chóng)中被克隆分析。TH被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控表皮的硬化(sclerotization)與著色(pigmentation)(Liuetal., 2015; Pentzoldetal., 2018; Zhang HHetal., 2019; Zhang Yetal., 2019)、翅鱗的顏色(Matsuoka and Monteiro, 2018)、蛹的鞣化(tanning)和免疫能力(Qiaoetal., 2016; Chenetal., 2018)等；另外，通過(guò)CRISPR/Cas9將TH基因敲除可引起幼蟲(chóng)致死(Yangetal., 2018)。DDC參與調(diào)控表皮的鞣化(Sterkeletal., 2019)、翅斑的形成(Luetal., 2019)、蛹的黑化(melanization)和翅鱗的顏色(Matsuoka and Monteiro, 2018)等。

ebony將DA降解成NBAD，而tan可將NBAD重新生成DA。ebony參與調(diào)控昆蟲(chóng)翅斑的顏色(Perezetal., 2018)、蛹?xì)さ暮诨?Bietal., 2019)和胸腹的著色(Johnsonetal., 2015; Miyagietal., 2015; Signoretal., 2016; Telonis-Scott and Hoffmann, 2018)等。tan調(diào)控雌性顏色的二型(dimorphism)(Yassinetal., 2016)以及胸腹著色的可塑性(Gibertetal., 2016; De Castroetal., 2018; Endleretal., 2018)等。

aaNATs催化DA降解成NADA，在昆蟲(chóng)中參與調(diào)控表皮硬化(Mehereetal., 2011; Longetal., 2015)、著色(Zhanetal., 2010; Nohetal., 2016a)、顏色圖案(Daietal., 2010; Matsuoka and Monteiro, 2018)以及脂肪酸酰胺的合成(Andersonetal., 2018; O′Flynnetal., 2018b)等。Laccase2是一類(lèi)酚氧化酶(phenoloxidase, PO)基因，可以催化DA降解成醌類(lèi)物質(zhì)；在西方蜜蜂Apismellifera中，蛻皮激素能調(diào)控laccase2的表達(dá)，而Laccase2參與蜜蜂成蟲(chóng)外骨骼的分化(Elias-Netoetal., 2010)；在白紋伊蚊Aedesalbopictus中，Laccase2參與調(diào)控其卵殼的硬化和著色(Wu XSetal., 2013)；在中華按蚊Anophelessinensis的化蛹過(guò)程中抑制Laccase2的表達(dá)，嚴(yán)重?fù)p害了其表皮鞣化和對(duì)病原物的抗性(Duetal., 2017)。

DAT和VMAT都是具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的跨膜蛋白，DAT將DA從突觸間隙再吸收，而VMAT可將DA轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡中儲(chǔ)存。DAT是精神類(lèi)藥物安非他命(amphetamine)的作用靶標(biāo)(Pizzoetal., 2014)，DAT也參與調(diào)控昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)和睡眠等(Uenoetal., 2012; Hamiltonetal., 2013)。VMAT的果蠅突變體表現(xiàn)出睡眠上升的表型，抗生素類(lèi)藥物利福平(reserpine)是VMAT的小分子抑制劑，也可以導(dǎo)致睡眠的上升(Nall and Sehgal, 2013)；VMAT還參與調(diào)控運(yùn)動(dòng)和求偶等(Freybergetal., 2016; Martin and Krantz, 2014)。

2 多巴胺神經(jīng)元

DA在多巴胺神經(jīng)元(DANs)中合成和釋放。在果蠅的腦中，大概有300個(gè)DANs，至少可以分成13個(gè)簇(Asoetal., 2014)。在果蠅研究中，可以利用各種GAL4驅(qū)動(dòng)子去驅(qū)動(dòng)果蠅腦中不同類(lèi)型的DANs，從而明確不同DANs的功能(Xieetal., 2018)。DANs屬于調(diào)節(jié)輸入型神經(jīng)元(modulatory input neurons)，其中有兩個(gè)重要的多巴胺神經(jīng)元簇，即protocerebral anterior medial (PAM)和protocerebral posterior lateral 1(PPL1)(表1)。PAM和PPL1將軸突末梢投射到蘑菇體(mushroom body, MB)的特定區(qū)域，傳遞獎(jiǎng)賞和懲罰等信號(hào)到MB引導(dǎo)學(xué)習(xí)(Asoetal., 2014)。PPL1簇的每種DANs有1或2個(gè)細(xì)胞，而PAM簇的不同類(lèi)型DANs最多有大概20個(gè)細(xì)胞(Asoetal., 2014)。不同類(lèi)型的DANs參與調(diào)控不同的生理與行為過(guò)程，如PAM-γ5調(diào)控求偶學(xué)習(xí)(Kelemanetal., 2012)、PAM-γ3調(diào)控糖獎(jiǎng)賞(Yamagataetal., 2016)、PAM-β’1調(diào)控遺忘(Shuaietal., 2015)、PPL1-γ1pedc調(diào)控厭惡記憶和長(zhǎng)期記憶(Placaisetal., 2017; Kimetal., 2018)、PPL1-α’2α2調(diào)控嗅覺(jué)學(xué)習(xí)(Cervantes-Sandovaletal., 2017)等。

3 多巴胺受體

DA是通過(guò)特異性地結(jié)合其相關(guān)的多巴胺受體(dopamine receptors, DARs)來(lái)發(fā)揮生理作用，DARs屬于G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors, GPCRs)中類(lèi)視紫紅質(zhì)(rhodopsin-like)家族，具有七跨膜的典型結(jié)構(gòu)域(Venkatakrishnanetal., 2013)。參照脊椎動(dòng)物體內(nèi)DARs的分類(lèi)方法(Beaulieu and Gainetdinov, 2011)，以及昆蟲(chóng)DARs的研究進(jìn)展(Srivastavaetal., 2005)，昆蟲(chóng)中的DARs可被分為D1-like DARs, D2-like DARs和DopEcR。其中D1-like DARs包含兩種亞型即DOP1和DOP2，D2-like DARs只有一種亞型DOP3；DOP2被認(rèn)為是無(wú)脊椎動(dòng)物特有的DARs，又被稱為無(wú)脊椎動(dòng)物型多巴胺受體(invertebrate-type dopamine receptor, INDR)(Verlinden, 2018)。

3.1 DARs的進(jìn)化分析

從系統(tǒng)發(fā)育上看，昆蟲(chóng)DOP1的同源受體與脊椎動(dòng)物的D1和D5受體聚在一起，組成了D1-likeDARs的分支，與其他DARs相比，D1-like DARs與章魚(yú)胺受體(β-adrenergic-like octopamine receptors,OA2)在進(jìn)化關(guān)系上更加靠近(圖2)，這兩類(lèi)受體均偶聯(lián)Gs蛋白，引起cAMP上升。昆蟲(chóng)無(wú)脊椎動(dòng)物型多巴胺受體DOP2與章魚(yú)胺受體(α1-adrenergic-like octopamine receptors, OA1)在進(jìn)化上靠近(圖2)，且均能偶聯(lián)Gs和Gq蛋白，引起cAMP和Ca2+濃度的上升。昆蟲(chóng)DOP3的同源受體與脊椎動(dòng)物的D2, D3和D4受體組成了D2-like DARs的分支，并與酪胺受體(tyramine receptor, TA1)和章魚(yú)胺受體(α2-adrenergic-like octopamine receptors, OA3)的分支更加近緣(圖2)，它們均偶聯(lián)Gi蛋白，導(dǎo)致cAMP下降。DopEcR偶聯(lián)Gs蛋白，且DA引起的cAMP上升可以被蛻皮激素E和20E抑制，在進(jìn)化關(guān)系上與其他受體均較遠(yuǎn)(圖2)。之前有研究提出設(shè)想，在生物胺GPCRs的進(jìn)化過(guò)程中，新進(jìn)化的受體需要新的配體；由于結(jié)構(gòu)的限制，一種獲得配體的方式是從相近的系統(tǒng)中“借”，這就引起了在受體家族間所謂的“l(fā)igand-hops”(Hauseretal., 2006; Beggsetal., 2011; Troppmannetal., 2014)。

表1 果蠅多巴胺神經(jīng)元及其功能

圖2 昆蟲(chóng)3種生物胺受體的系統(tǒng)進(jìn)化分析

3.2 DARs的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

與脊椎動(dòng)物的D1-like DARs一樣，昆蟲(chóng)中的D1-like DARs和DopEcR被激活后，偶聯(lián)Gs蛋白，活化的Gαs亞基與質(zhì)膜上的腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase, AC)相互作用，引起AC活性的上升，導(dǎo)致ATP生成cAMP(圖3)。cAMP濃度的上升隨后能激活cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP-dependent protein kinase)，又叫蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)。PKA將絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，改變了各種底物分子的特性，包括細(xì)胞溶質(zhì)蛋白、配體門(mén)控離子通道和電壓門(mén)控離子通道等(Blenau and Baumann, 2001)。與脊椎動(dòng)物的D2-like DARs一樣，昆蟲(chóng)的DOP3被激活后，偶聯(lián)Gi蛋白，活化的Gαi亞基與AC相互作用，抑制了AC的活性，從而引起胞內(nèi)cAMP含量的降低(圖3)。另外，與偶聯(lián)Gs蛋白相比，D1-like DARs中的DOP2受到低濃度的DA刺激時(shí)，主要是偶聯(lián)Gq蛋白，活化的Gαq亞基可以結(jié)合并刺激磷脂酶C(phospholipase C, PLC)的活性，引起胞內(nèi)Ca2+濃度的上升(Himmelreichetal., 2017)。PLC可以水解一種膜結(jié)合底物-磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, PIP2)，生成2種第二信使，即三磷酸肌醇(inositol 1,4,5-trisphosphate, IP3)和二酰基甘油(diacylglycerol, DAG)。IP3可以自由地?cái)U(kuò)散并結(jié)合位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum, ER)膜上特異的IP3受體，它們是第二信使門(mén)控Ca2+通道(圖3)。當(dāng)IP3結(jié)合到這些受體上之后，離子通道孔被打開(kāi)，Ca2+釋放到細(xì)胞質(zhì)中，Ca2+可以通過(guò)控制酶或離子通道的活性在許多細(xì)胞功能調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。與IP3相比，DAG仍與膜結(jié)合，可以激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)。與PKA一樣，PKC也可以磷酸化蛋白的絲氨酸和蘇氨酸殘基，從而改變這些蛋白的功能(Blenau and Baumann, 2001)。DopEcR除了可以被DA刺激引起cAMP上升，激活磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)通路，其被DA誘導(dǎo)的cAMP反應(yīng)也可被蛻皮激素(ecdysone, E)和20-羥基蛻皮激素(20-hydroxyecdysone, 20E)抑制(圖3)，導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)通路的快速激活(Srivastavaetal., 2005; Evansetal., 2014)。

圖3 昆蟲(chóng)多巴胺受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 (改自吳順?lè)驳? 2013)

3.3 DARs的藥理學(xué)特性

DARs的藥理學(xué)研究主要是構(gòu)建DARs的真核表達(dá)載體將其在HEK-293, CHO和Sf9等細(xì)胞系中表達(dá)，利用配體結(jié)合試驗(yàn)來(lái)研究DARs的藥理學(xué)特性。對(duì)昆蟲(chóng)DARs藥理學(xué)特性的研究，將為以昆蟲(chóng)DARs為作用靶標(biāo)開(kāi)發(fā)高效選擇性殺蟲(chóng)劑提供重要依據(jù)。本文整理了目前已發(fā)表的昆蟲(chóng)DARs的藥理學(xué)數(shù)據(jù)(表2)。

3.3.1激動(dòng)劑：昆蟲(chóng)DOP1, DOP2和DOP3均能被DA能很好地激活，但對(duì)DA的敏感度不同，DOP1被DA誘導(dǎo)cAMP反應(yīng)的EC50值屬于納摩爾(nmol/L)級(jí)別，而DOP2和DOP3屬于微摩爾(μmol/L)級(jí)別(Verlindenetal., 2015; Xuetal., 2017)；而DopEcR是在forskolin處理下， 被DA激活(Srivastavaetal.,2005)。DOP1, DOP2和DOP3均能被激動(dòng)劑6,7-ADTN激活，其EC50值在微摩爾左右(Verlinden, 2018)。Bromocriptine被認(rèn)為是DOP3的強(qiáng)效激動(dòng)劑，在DmDOP3和CsDOP3中cAMP反應(yīng)的EC50值均能達(dá)到納摩爾(nmol/L)級(jí)別；bromocriptine也可激活DOP1受體，但對(duì)DOP2受體沒(méi)有激動(dòng)效應(yīng)(Ohtaetal., 2009; Troppmannetal., 2014; Xuetal., 2017)。腎上腺素受體的激動(dòng)劑epinephrine和norepinephrine對(duì)DOP1, DOP2和DOP3均存在激動(dòng)活性(Hearnetal., 2002; Meyeretal., 2012; Nussetal., 2015)。蜜蜂蜂王信息素(queen mandibular pheromone, QMP)的關(guān)鍵組分高香草醇(homovanillyl alcohol, HVA)可以選擇性地激活A(yù)mDOP3，對(duì)AmDOP1和AmDOP2均沒(méi)有效果(Beggs and Mercer, 2009)。有趣的是，赤擬谷盜Triboliumcastaneum的TcDOP3受體可以被保幼激素(juvenile hormone, JH)激活，且JH誘導(dǎo)的cAMP反應(yīng)的EC50值比DA更低(Bai and Palli, 2016)；另外，TcDOP3也可以被高濃度酪胺和5-羥色胺激活(Hearnetal., 2002; Verlindenetal., 2015)。

表2 昆蟲(chóng)多巴胺受體的藥理學(xué)特性

續(xù)表2 Table 2 continued

受體ReceptorsGenBank登錄號(hào)GenBankaccession no.信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)/表達(dá)細(xì)胞系Signal transduction/Expression cell lines激動(dòng)劑AgonistsEC50(μmol/L)拮抗劑AntagonistsIC50(μmol/L)文獻(xiàn)References致倦庫(kù)蚊Culex quinquefasciatusCqDOP2KM262648Gs, cAMP↗DA2.1Asenapine0.0008Nuss et al., 2015Gq, Ca2+↗Epinephrine80.8Flupenthixol0.002HEK-293Norepinephrine52.2Amitriptyline0.0033Chlorpromazine0.0074Doxepin0.0083Butaclamol0.172Amperozide0.248SCH 233900.745二化螟Chilo suppressalisCsDOP1KP784317Gs, cAMP↗DA0.00195SCH 233900.0073Xu et al., 2017HEK-293Bromocriptine0.0404Butaclamol0.257Chlorpromazine0.467Flupenthixol0.475Phentolamine0.705Propranolol2.673CsDOP2KP784318Gs, cAMP↗DA7.248Xu et al., 2017HEK-2936,7-ADTN6.024CsDOP3KP784319Gi, cAMP↘DA1.178Xu et al., 2017HEK-293Bromocriptine0.00082黑腹果蠅Drosophila melanogasterDmDOP1P41596.2Gs, cAMP↗DA0.3Gotzes et al., 1994;Sf96,7-ADTN0.5Sugamori et al., 1995HEK-293Norepinephrine7DmDOP2NP_733299.1Gs, cAMP↗DA0.35Han et al., 1996Gq, Ca2+↗S2DmDOP3AAN15955.1Gi, cAMP↘DA0.5Hearn et al., 2002HEK-293Bromocriptine0.0015Serotonin1.3Tyramine3.8Epinephrine2.1Norepinephrine2.2DmDopEcRAAF47893.1Gs, cAMP↗DA0.0066Ecdysone (E)0.00015Srivastava et al., 2005Sf920E0.0015PoA0.000012美洲大蠊Periplaneta americanaPaDOP2HG794355Gs, cAMP↗DA0.1633Chlorpromazine0.0027Troppmann et al., 2014HEK-2936,7-ADTN0.0764Flupenthixol0.00656-Chloro-APB0.3819Butaclamol0.326SCH 233901.786赤擬谷盜Tribolium castaneumTcDOP3EFA02832.1Gq, Ca2+↗DA0.64Verlinden et al., 2015Gi, cAMP↘6,7-ADTN2.8CHOBromocriptine1.2HEK-293Tyramine60.4DA (cAMP)6

上箭頭和下箭頭分別表示濃度上升和下降。The upward arrow and downward arrow indicate increase and decrease in concentration, respectively.

3.3.2拮抗劑：SCH 23390被認(rèn)為是D1-like DARs的選擇性拮抗劑，SCH 23390對(duì)蚊子DOP2受體(AaDOP2和CqDOP2)的抑制效應(yīng)只是人類(lèi)的D1(HsD1)受體的0.2%(Nussetal., 2015)；另外，高濃度的SCH 23390可以抑制DOP3的激活(Xuetal., 2017)。Flupentixol被認(rèn)為可以抑制哺乳動(dòng)物的DARs、5-羥色胺受體、腎上腺素受體和組胺受體，對(duì)昆蟲(chóng)DOP1, DOP2, DOP3和DopEcR也均有抑制效應(yīng)，但對(duì)DOP2的拮抗效果可達(dá)到納摩爾(nmol/L)級(jí)別(Mustardetal., 2003; Troppmannetal., 2014; Nussetal., 2015)。Butaclamol也可以拮抗4種DARs(Verlinden, 2018)。Chlorpromazine和chlorprothixene是結(jié)構(gòu)上相近的拮抗劑，對(duì)DOP1, DOP2和DOP3均有抑制效果，且對(duì)DOP2的拮抗效應(yīng)更好(Troppmannetal., 2014; Nussetal., 2015)。Methiothepin是哺乳動(dòng)物和昆蟲(chóng)5-羥色胺受體非選擇性的拮抗劑(Qietal., 2017)，但同時(shí)對(duì)DOP2也有很好的拮抗效應(yīng)(Hilletal., 2016)。另外，Amitriptyline, asenapine和doxepin是蚊子DOP2受體(AaDOP2和CqDOP2)的強(qiáng)效拮抗劑，均達(dá)到納摩爾級(jí)別，但對(duì)HsD1受體只有較弱的效應(yīng)(Nussetal., 2015)。DopEcR因既能被DA激活，也可被E和20E抑制而得名，其被E和20E拮抗的效果達(dá)到納摩爾級(jí)別，DopEcR也是目前唯一可以被昆蟲(chóng)蛻皮激素拮抗的膜受體(Srivastavaetal., 2005; Bai and Palli, 2016)。

4 DA及其DARs的重要功能

DA是昆蟲(chóng)許多生理與行為過(guò)程中的關(guān)鍵神經(jīng)激素，主要是通過(guò)特異性地結(jié)合其相應(yīng)的DARs發(fā)揮作用。本文簡(jiǎn)要地總結(jié)了昆蟲(chóng)DARs的功能(表3)，并對(duì)其中一些調(diào)控過(guò)程進(jìn)行概述。

4.1 取食

能量缺失對(duì)任何動(dòng)物來(lái)說(shuō)都是有風(fēng)險(xiǎn)的，因此饑餓控制著昆蟲(chóng)的大部分其他需求或行為，而DA在昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)饑餓狀態(tài)中起著重要作用(Grunwald Kadow, 2018)。在果蠅中，MB整合饑餓和飽感信號(hào)以調(diào)控覓食行為，這種調(diào)控被6種DANs(PAM-β’2a, PAM-β2β’2a, PPL1-γ2α’1, PPL1-α’2α2, PPL-α3和PPL1-γ1pedc)介導(dǎo)；通過(guò)操縱這些DANs可以抑制饑餓果蠅的覓食行為或促進(jìn)已飽果蠅的覓食行為，這些DANs的功能被在球形細(xì)胞(Kenyon cells, KCs)和MB輸出型神經(jīng)元(mushroom body output neurons, MBONs)中的DOP2受體控制(Tsaoetal., 2018)。另外的研究發(fā)現(xiàn)，飽感狀態(tài)依賴的環(huán)路匯聚在MB中表達(dá)DOP1的KCs，神經(jīng)活性能促使飽感狀態(tài)下的覓食(Landayanetal., 2018)。果蠅在蛋白饑餓的狀態(tài)下會(huì)激活DA-WED神經(jīng)元，導(dǎo)致通過(guò)DOP2持續(xù)增加對(duì)下游FB-LAL神經(jīng)元的刺激促使對(duì)蛋白不斷攝取，同時(shí)信號(hào)通過(guò)DOP1到PLP神經(jīng)元誘導(dǎo)糖攝取的瞬時(shí)抑制(Liuetal., 2017)。在蜜蜂中，持續(xù)的覓食行為誘導(dǎo)了DOP2和DopEcR轉(zhuǎn)錄水平的上調(diào)，這可能與取食的獎(jiǎng)賞有關(guān)(Singhetal., 2018)。

4.2 學(xué)習(xí)

DA在昆蟲(chóng)學(xué)習(xí)行為過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色。在果蠅中，DOP1受體在MB神經(jīng)纖維網(wǎng)(neuropil)中高表達(dá)，在巴浦洛夫條件反射試驗(yàn)中，DOP1被認(rèn)為是調(diào)控厭惡和食欲學(xué)習(xí)的關(guān)鍵受體(Kimetal., 2007)。通過(guò)人為地激活MB的aSP13神經(jīng)元，果蠅的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)可以被模擬，這些特異DANs的突觸傳遞對(duì)于求偶學(xué)習(xí)十分重要，而在aSP13神經(jīng)元表達(dá)的DOP1受體參與了調(diào)控自然和人為的求偶學(xué)習(xí)(Kelemanetal., 2012)。另外，在果蠅MB中激活DOP1受體，可以挽救由睡眠缺失引發(fā)的學(xué)習(xí)損害(Seugnetetal., 2008)。在GABA神經(jīng)元中干擾DOP3影響了果蠅的厭惡嗅覺(jué)學(xué)習(xí)(Zhouetal., 2019)。埃及伊蚊Aedesaegypti可以通過(guò)學(xué)習(xí)回避防御性寄主的氣味，通過(guò)藥理學(xué)干預(yù)、RNAi和基因編輯影響DOP1受體的表達(dá)抑制了它們的學(xué)習(xí)能力，DA在介導(dǎo)蚊子學(xué)習(xí)行為誘導(dǎo)的可塑性中扮演著關(guān)鍵角色(Vinaugeretal., 2018)。DopEcR受體在厭惡學(xué)習(xí)試驗(yàn)中蜜蜂的腦中高表達(dá)，而在食欲學(xué)習(xí)試驗(yàn)中蜜蜂的腦中相對(duì)低表達(dá)，表明DopEcR在食欲和厭惡學(xué)習(xí)性狀中的潛在作用(Lagiszetal., 2016)。在雙斑蟀Gryllusbimaculatus中，DOP1被沉默，其厭惡學(xué)習(xí)受到了損害而食欲學(xué)習(xí)表現(xiàn)正常；DOP2被沉默，其厭惡學(xué)習(xí)和食欲學(xué)習(xí)均表現(xiàn)正常，由此可見(jiàn)DA通過(guò)DOP1受體調(diào)控雙斑蟀的厭惡學(xué)習(xí)(Awataetal., 2015, 2016; Mizunami and Matsumoto, 2017)。

表3 昆蟲(chóng)多巴胺及其受體調(diào)控的功能

4.3 記憶與遺忘

記憶可幫助動(dòng)物適應(yīng)外界環(huán)境，記憶形成的分子機(jī)制被認(rèn)為與神經(jīng)元之間的突觸傳遞有關(guān)(Takemuraetal., 2017)。記憶獲取和鞏固之間的平衡決定了記憶的長(zhǎng)短，而DA信號(hào)在昆蟲(chóng)不同記憶過(guò)程中發(fā)揮重要作用(Davis and Zhong, 2017)。研究發(fā)現(xiàn)果蠅不同類(lèi)型的DANs參與調(diào)控不同的記憶類(lèi)型，如PAM-γ5, PAM-β1, PAM-β2, PAM-α1和PPL1-γ1pedc等參與調(diào)控長(zhǎng)期記憶(Huetterothetal., 2015; Placaisetal., 2017)，PAM-β’2和PAM-γ4等調(diào)控短期記憶(Huetterothetal., 2015)，刺激DANs可導(dǎo)致cAMP水平的上升，而其中的cAMP信號(hào)對(duì)控制長(zhǎng)期或短期記憶是必需的(Blumetal., 2009)。研究發(fā)現(xiàn)DOP1受體通過(guò)偶聯(lián)Gs蛋白刺激cAMP合成從而介導(dǎo)記憶的獲取(Himmelreichetal., 2017)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)DOP1可以調(diào)控食欲長(zhǎng)期記憶(Ichinoseetal., 2015)，而在DOP1的突變體中恢復(fù)DOP1的表達(dá)也可恢復(fù)長(zhǎng)期和短期記憶(Qinetal., 2012)，另外，DOP1通過(guò)其下游的翻譯調(diào)控因子Orb2A能將記憶獲取與記憶鞏固的過(guò)程連接起來(lái)(Kruttneretal., 2015)。MB中能量流的上調(diào)對(duì)促進(jìn)長(zhǎng)期記憶的形成是充分必要的，而在MB神經(jīng)元中的DOP2介導(dǎo)了DA作用于能量流的過(guò)程(Placaisetal., 2017)；PPL1-γ1pedc神經(jīng)元中的DOP2也被發(fā)現(xiàn)參與食欲長(zhǎng)期記憶的形成(Mussoetal., 2015)。同時(shí)，另外的研究發(fā)現(xiàn)DA信號(hào)在MVP2神經(jīng)元發(fā)揮作用以調(diào)控食欲記憶，而令人奇怪的是相反地作用于下游cAMP信號(hào)的DOP2和DOP3受體均參與了食欲長(zhǎng)期記憶的形成(Pavlowskyetal., 2018)。遺忘是記憶重要的另外一面，而DOP2受體特異地參與介導(dǎo)果蠅的遺忘(Berryetal., 2012)，通過(guò)RNAi在MB中敲除Gq蛋白抑制了遺忘，由此可見(jiàn)DOP2通過(guò)激活Gq蛋白調(diào)動(dòng)Ca2+信號(hào)從而調(diào)控遺忘(Himmelreichetal., 2017)。

4.4 求偶與交配

求偶與交配行為對(duì)于昆蟲(chóng)生存繁衍是十分關(guān)鍵的，被多種內(nèi)外因素通過(guò)神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，其中DA起著重要作用。阻斷DA的神經(jīng)傳遞能顯著降低雄果蠅對(duì)雌果蠅的求偶行為，而在DANs中恢復(fù)VMAT的表達(dá)可以緩和VMAT雄果蠅突變體的求偶缺陷(Chenetal., 2013)。在未交配雄果蠅中，DOP1受體調(diào)控其求偶欲望(Limetal., 2018)；而DA通過(guò)DOP2受體將信號(hào)傳遞到P1神經(jīng)元，可以控制已交配的果蠅降低其求偶欲望(Zhangetal., 2016)；在衰老果蠅的PPL2ab神經(jīng)元中升高DA水平，可以恢復(fù)其求偶行為(Kuoetal., 2015)。分別突變DOP1, DOP2, DOP3和DopEcR均會(huì)導(dǎo)致果蠅交配時(shí)間的下降，表明DA是通過(guò)4種DARs調(diào)控交配的持續(xù)(Crickmore and Vosshall, 2013)。在雄果蠅中提高DA含量可以誘導(dǎo)雄雄求偶行為，是由于改變了其性傾向(Liuetal., 2008)；而DA水平的降低也能誘導(dǎo)雄雄求偶行為，主要是由于提高了雄果蠅的吸引力或降低了對(duì)其他雄性的厭惡(Liuetal., 2009)；通過(guò)遺傳學(xué)和藥理學(xué)操作，發(fā)現(xiàn)果蠅雄雄求偶行為是通過(guò)DOP1調(diào)控的(Liuetal., 2008; Chenetal., 2012)。

4.5 睡眠與覺(jué)醒

睡眠對(duì)于維持昆蟲(chóng)生理功能是不可缺少的(Helfrich-Forster, 2018)。在果蠅中，大量研究表明DA參與了睡眠和覺(jué)醒的過(guò)程，DANs通過(guò)MBs促進(jìn)覺(jué)醒，將多巴胺信號(hào)輸入到背扇形體(dorsal fan-shaped body, dFSB)區(qū)域(Artiushin and Sehgal, 2017)。DOP1被發(fā)現(xiàn)在dFSB中介導(dǎo)DA的睡眠和覺(jué)醒作用(Liu QLetal., 2012; Uenoetal., 2012)，DAT突變體果蠅短睡眠的表型能被DOP1的突變完全回補(bǔ)，但在野生型果蠅dFSB中敲除DOP1可以恢復(fù)短睡眠的表型(Uenoetal., 2012)。另外，其他研究發(fā)現(xiàn)在dFSB中敲除DOP3可以導(dǎo)致總睡眠上升(Pimenteletal., 2016)。由此可見(jiàn)，DOP1和DOP3都在dFSB中發(fā)揮作用，DOP1是充分的但不是必要的。同DA通過(guò)Gs蛋白偶聯(lián)的D1-like DARs起作用一樣，在dFSB中持續(xù)激活Gs蛋白可以導(dǎo)致睡眠下降，另外dFSB可通過(guò)增加cAMP直接對(duì)DA的施用作出反應(yīng)，但通過(guò)敲除DOP1可以消除(Uenoetal., 2012)。通過(guò)持續(xù)激活PKA也可導(dǎo)致睡眠不足，表明dFSB依賴DA的抑制通過(guò)cAMP依賴信號(hào)起作用(Liu QLetal., 2012)；另外，DA可以通過(guò)鉀通道超極化dFSB神經(jīng)元，這種效應(yīng)可以被百日咳毒素(pertussis toxin, PTX)消除，也支持了DOP3下游Gi偶聯(lián)的機(jī)制(Pimenteletal., 2016)。在果蠅中，DOP1突變體增強(qiáng)了環(huán)境誘導(dǎo)的喚醒，降低了正常睡眠周期的喚醒，這兩種類(lèi)型的喚醒可以被咖啡因相反地影響(Lebestkyetal., 2009)；咖啡因可以通過(guò)DA信號(hào)促進(jìn)果蠅的喚醒，而DOP1受體可以介導(dǎo)這種咖啡因誘導(dǎo)的喚醒(Andreticetal., 2008; Nalletal., 2016)。

4.6 其他功能

DARs還可以調(diào)控昆蟲(chóng)的其他生理與行為過(guò)程。在果蠅中，DOP1參與了抉擇行為的調(diào)控(Zhangetal., 2007)， DOP1, DOP3和DopEcR參與調(diào)控運(yùn)動(dòng)行為(Draperetal., 2007; Kongetal., 2010; Larketal., 2017)， DOP1和DOP3調(diào)控好斗行為(Alekseyenkoetal., 2013), DOP2調(diào)控變態(tài)發(fā)育(Regnaetal., 2016)。在赤擬谷盜中，干擾DOP3抑制了卵黃蛋白的攝取和卵巢的發(fā)育(Bai and Palli, 2016)。在東亞飛蝗Locustamigratoria中，microRNA-133可通過(guò)控制DA的合成調(diào)控其型變行為(Yangetal., 2014)，通過(guò)DOP1和DOP2分別調(diào)控群居與散居行為(Guoetal., 2015)；另外，DOP1可通過(guò)抑制microRNA-9a的表達(dá)介導(dǎo)飛蝗的嗅覺(jué)吸引行為(Guoetal., 2018)。在小地老虎Agrotisipsilon中，DopEcR調(diào)控了對(duì)性信息素的感知(Abrieuxetal., 2013, 2014)。在棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera中，20E通過(guò)結(jié)合DopEcR抑制了幼蟲(chóng)的取食，促進(jìn)了化蛹(Kangetal., 2019)。在二化螟Chilosuppressalis中，DA通過(guò)DOP1受體調(diào)控血細(xì)胞的吞噬(Wuetal., 2015)。由此可見(jiàn), DA可能是連接神經(jīng)系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)的重要分子。

5 展望

DA在昆蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)中有著相對(duì)高的含量，且是豐度最高的單胺，在昆蟲(chóng)中調(diào)控著多種生理與行為過(guò)程。隨著CRISPR/Cas9技術(shù)在大量昆蟲(chóng)中成功地應(yīng)用(Sunetal., 2017; Taningetal., 2017)，這將有利于研究昆蟲(chóng)多巴胺信號(hào)通路中基因的功能；最新的實(shí)時(shí)成像技術(shù)可以特異地檢測(cè)到DA在果蠅MB中的動(dòng)態(tài)變化，甚至能靈敏地檢測(cè)到單一神經(jīng)元中的變化(Sunetal., 2018)，這將更方便地追蹤DA在昆蟲(chóng)中的微量變化，有利于探討DA的生理功能；近年來(lái)興起的單細(xì)胞測(cè)序可以從單一細(xì)胞水平進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，有助于解析不同類(lèi)型的單個(gè)DAN的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(Crockeretal., 2016; Davieetal., 2018)。這些分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，都將有利于昆蟲(chóng)DA的研究更加深入地開(kāi)展。

GPCRs是非常成功的藥物靶標(biāo)，接近35%的藥物作用于這些受體以及它們相關(guān)的蛋白(Hauseretal., 2017; Sriram and Insel, 2018)。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，GPCRs長(zhǎng)期以來(lái)被作為開(kāi)發(fā)新型殺蟲(chóng)劑的靶標(biāo)，而DARs是其中的重要靶標(biāo)之一(Audsley and Down, 2015; Hilletal., 2018)；另外，也有研究表明多巴胺代謝酶可作為新型殺蟲(chóng)劑的靶標(biāo)(Chenetal., 2018; O′Flynnetal., 2018a)。由于昆蟲(chóng)DARs的藥理學(xué)性質(zhì)存在差異，不同類(lèi)型的DARs的特異性激動(dòng)劑或拮抗劑可作為選擇性殺蟲(chóng)劑的合成前體。之前很多研究表明，擾亂多巴胺信號(hào)通路可以引起昆蟲(chóng)死亡或?qū)е缕錈o(wú)行動(dòng)能力或發(fā)育不良(Fuchsetal., 2014; Conleyetal., 2015; Bai and Palli, 2016)，因此合理設(shè)計(jì)以害蟲(chóng)DARs和代謝酶為靶標(biāo)的特異小分子，或構(gòu)建可以表達(dá)靶向害蟲(chóng)DARs和代謝酶基因的dsRNA或miRNA的作物，都將有益于害蟲(chóng)防治。