昆蟲多巴胺及其受體的研究進展及展望

徐 剛, 葉恭銀

(1. 揚州大學園藝與植物保護學院, 江蘇揚州 225009; 2. 浙江大學昆蟲科學研究所, 水稻生物學國家重點實驗室/ 農業(yè)農村部作物病蟲分子生物學重點實驗室, 杭州 310058)

在脊椎動物和無脊椎動物中，多巴胺(dopamine, DA)是一種重要的兒茶酚胺神經(jīng)遞質(catecholamine neurotransmitter)。在哺乳動物中，DA與多種神經(jīng)性疾病有關，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)。在昆蟲中，DA參與調控取食(feeding)、學習(learning)、記憶和遺忘(memory and forgetting)、求偶與交配(courtship and copulation)、睡眠與覺醒(sleep and arousal)和相變(phase change)等多種行為(Verlinden, 2018)。

1957年，Kathleen Montagu通過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，是因為它是單胺(monoamine)，且合成前體為左旋多巴；1958年，Arvid Carlsson和Nils-?ke Hillarp在瑞典國家心臟研究所的化學藥理學實驗室首次確定了多巴胺具有神經(jīng)遞質的功能(Benes, 2001)。Arvid Carlsson在2000年被授予諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，因其證實了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。

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，通過特異性地激活位于突觸后膜上的多巴胺受體(dopamine receptors, DARs)來發(fā)揮作用(Verlinden, 2018)?；诮Y構、藥理學和生化特性，脊椎動物有兩大類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，導致胞內cAMP含量的降低(Beaulieu and Gainetdinov, 2011)。在昆蟲中，至今為止有4種DARs被克隆得到，參照脊椎動物DARs的分類方法，昆蟲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可以同時被DA和蛻皮激素激活。近年來，隨著組學技術的快速發(fā)展，以及CRISPR/Cas9技術已經(jīng)在多種昆蟲中被成功地應用(Sunetal., 2017; Taningetal., 2017; Pietrantonioetal., 2018)，這些都將推動DA在昆蟲中生理功能與行為調控的研究以及昆蟲DARs的藥理學與生理學研究等。尤其在模式昆蟲黑腹果蠅Drosophilamelanogaster中，借助豐富的遺傳學操作手段有大量DA的相關研究(Karametal., 2019)。本文結合DA最新的研究進展，主要從昆蟲中DA的調控，多巴胺神經(jīng)元，以及DARs的信號轉導、進化、藥理學特性與生理學功能等方面進行綜述。

1 DA的調控

1.1 DA的合成、轉運和降解

DA作為神經(jīng)遞質，在生物中的濃度是被嚴格調控的，首要手段是控制其合成速率。昆蟲生物胺中，DA、章魚胺(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產物，因此又可稱為兒茶酚胺(catecholamine)(吳順凡等, 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 昆蟲中DA的合成和降解 (改自吳順凡等, 2013)

DA一旦合成后，在囊泡單胺轉運體(vesicular monoamine transporter, VMAT)的作用下，從細胞胞質(cytoplasm)轉運到突觸囊泡(synaptic vesicles)儲存(Yaffeetal., 2018)。DA先被儲存在囊泡內，直至動作電位(action potential)觸發(fā)囊泡與細胞膜融合繼而通過胞吐作用(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便會特異性地結合位于突觸后細胞(postsynaptic cell)膜上的DARs，引起信號從突觸前細胞傳播到突觸后的神經(jīng)元中，引起下游的生理反應，這個過程是相當短暫的；位于突觸前末梢質膜上的多巴胺轉運體(dopamine transporter, DAT)將突觸間隙的DA再吸收(reuptake)到突觸前細胞內，可以終止其過度反應(Wangetal., 2015)。當DA被轉運到突觸前細胞的胞質后，便會被VMAT重新組裝到囊泡中儲存(Lawal and Krantz, 2013)。

在脊椎動物中，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-甲基轉移酶(catechol-O-methyl transferase, COMT)。在脊椎動物中，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)。在無脊椎動物中，還未克隆到MAO(Kutchko and Siltberg-Liberles, 2013)。昆蟲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)，但這個過程是可逆的，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)進行降解(Nohetal., 2016b)(圖1)。

1.2 DA代謝酶和轉運體的生理作用

TH和DDC是DA合成過程中的兩個重要酶，已在多種昆蟲中被克隆分析。TH被發(fā)現(xiàn)參與調控表皮的硬化(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CRISPR/Cas9將TH基因敲除可引起幼蟲致死(Yangetal., 2018)。DDC參與調控表皮的鞣化(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參與調控昆蟲翅斑的顏色(Perezetal., 2018)、蛹殼的黑化(Bietal., 2019)和胸腹的著色(Johnsonetal., 2015; Miyagietal., 2015; Signoretal., 2016; Telonis-Scott and Hoffmann, 2018)等。tan調控雌性顏色的二型(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，在昆蟲中參與調控表皮硬化(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是一類酚氧化酶(phenoloxidase, PO)基因，可以催化DA降解成醌類物質；在西方蜜蜂Apismellifera中，蛻皮激素能調控laccase2的表達，而Laccase2參與蜜蜂成蟲外骨骼的分化(Elias-Netoetal., 2010)；在白紋伊蚊Aedesalbopictus中，Laccase2參與調控其卵殼的硬化和著色(Wu XSetal., 2013)；在中華按蚊Anophelessinensis的化蛹過程中抑制Laccase2的表達，嚴重損害了其表皮鞣化和對病原物的抗性(Duetal., 2017)。

DAT和VMAT都是具有12個跨膜結構域的跨膜蛋白，DAT將DA從突觸間隙再吸收，而VMAT可將DA轉運到囊泡中儲存。DAT是精神類藥物安非他命(amphetamine)的作用靶標(Pizzoetal., 2014)，DAT也參與調控昆蟲的運動和睡眠等(Uenoetal., 2012; Hamiltonetal., 2013)。VMAT的果蠅突變體表現(xiàn)出睡眠上升的表型，抗生素類藥物利福平(reserpine)是VMAT的小分子抑制劑，也可以導致睡眠的上升(Nall and Sehgal, 2013)；VMAT還參與調控運動和求偶等(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DANs，至少可以分成13個簇(Asoetal., 2014)。在果蠅研究中，可以利用各種GAL4驅動子去驅動果蠅腦中不同類型的DANs，從而明確不同DANs的功能(Xieetal., 2018)。DANs屬于調節(jié)輸入型神經(jīng)元(modulatory input neurons)，其中有兩個重要的多巴胺神經(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，傳遞獎賞和懲罰等信號到MB引導學習(Asoetal., 2014)。PPL1簇的每種DANs有1或2個細胞，而PAM簇的不同類型DANs最多有大概20個細胞(Asoetal., 2014)。不同類型的DANs參與調控不同的生理與行為過程，如PAM-γ5調控求偶學習(Kelemanetal., 2012)、PAM-γ3調控糖獎賞(Yamagataetal., 2016)、PAM-β’1調控遺忘(Shuaietal., 2015)、PPL1-γ1pedc調控厭惡記憶和長期記憶(Placaisetal., 2017; Kimetal., 2018)、PPL1-α’2α2調控嗅覺學習(Cervantes-Sandovaletal., 2017)等。

3 多巴胺受體

DA是通過特異性地結合其相關的多巴胺受體(dopamine receptors, DARs)來發(fā)揮生理作用，DARs屬于G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors, GPCRs)中類視紫紅質(rhodopsin-like)家族，具有七跨膜的典型結構域(Venkatakrishnanetal., 2013)。參照脊椎動物體內DARs的分類方法(Beaulieu and Gainetdinov, 2011)，以及昆蟲DARs的研究進展(Srivastavaetal., 2005)，昆蟲中的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被認為是無脊椎動物特有的DARs，又被稱為無脊椎動物型多巴胺受體(invertebrate-type dopamine receptor, INDR)(Verlinden, 2018)。

3.1 DARs的進化分析

從系統(tǒng)發(fā)育上看，昆蟲DOP1的同源受體與脊椎動物的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與章魚胺受體(β-adrenergic-like octopamine receptors,OA2)在進化關系上更加靠近(圖2)，這兩類受體均偶聯(lián)Gs蛋白，引起cAMP上升。昆蟲無脊椎動物型多巴胺受體DOP2與章魚胺受體(α1-adrenergic-like octopamine receptors, OA1)在進化上靠近(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DOP3的同源受體與脊椎動物的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，在進化關系上與其他受體均較遠(圖2)。之前有研究提出設想，在生物胺GPCRs的進化過程中，新進化的受體需要新的配體；由于結構的限制，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3種生物胺受體的系統(tǒng)進化分析

3.2 DARs的信號轉導

與脊椎動物的D1-like DARs一樣，昆蟲中的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，包括細胞溶質蛋白、配體門控離子通道和電壓門控離子通道等(Blenau and Baumann, 2001)。與脊椎動物的D2-like DARs一樣，昆蟲的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，主要是偶聯(lián)Gq蛋白，活化的Gαq亞基可以結合并刺激磷脂酶C(phospholipase C, PLC)的活性，引起胞內Ca2+濃度的上升(Himmelreichetal., 2017)。PLC可以水解一種膜結合底物-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?；视?diacylglycerol, DAG)。IP3可以自由地擴散并結合位于內質網(wǎng)(endoplasmic reticulum, ER)膜上特異的IP3受體，它們是第二信使門控Ca2+通道(圖3)。當IP3結合到這些受體上之后，離子通道孔被打開，Ca2+釋放到細胞質中，Ca2+可以通過控制酶或離子通道的活性在許多細胞功能調控中發(fā)揮關鍵的作用。與IP3相比，DAG仍與膜結合，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誘導的cAMP反應也可被蛻皮激素(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 昆蟲多巴胺受體的信號轉導途徑 (改自吳順凡等, 2013)

3.3 DARs的藥理學特性

DARs的藥理學研究主要是構建DARs的真核表達載體將其在HEK-293, CHO和Sf9等細胞系中表達，利用配體結合試驗來研究DARs的藥理學特性。對昆蟲DARs藥理學特性的研究，將為以昆蟲DARs為作用靶標開發(fā)高效選擇性殺蟲劑提供重要依據(jù)。本文整理了目前已發(fā)表的昆蟲DARs的藥理學數(shù)據(jù)(表2)。

3.3.1激動劑：昆蟲DOP1, DOP2和DOP3均能被DA能很好地激活，但對DA的敏感度不同，DOP1被DA誘導cAMP反應的EC50值屬于納摩爾(nmol/L)級別，而DOP2和DOP3屬于微摩爾(μmol/L)級別(Verlindenetal., 2015; Xuetal., 2017)；而DopEcR是在forskolin處理下， 被DA激活(Srivastavaetal.,2005)。DOP1, DOP2和DOP3均能被激動劑6,7-ADTN激活，其EC50值在微摩爾左右(Verlinden, 2018)。Bromocriptine被認為是DOP3的強效激動劑，在DmDOP3和CsDOP3中cAMP反應的EC50值均能達到納摩爾(nmol/L)級別；bromocriptine也可激活DOP1受體，但對DOP2受體沒有激動效應(Ohtaetal., 2009; Troppmannetal., 2014; Xuetal., 2017)。腎上腺素受體的激動劑epinephrine和norepinephrine對DOP1, DOP2和DOP3均存在激動活性(Hearnetal., 2002; Meyeretal., 2012; Nussetal., 2015)。蜜蜂蜂王信息素(queen mandibular pheromone, QMP)的關鍵組分高香草醇(homovanillyl alcohol, HVA)可以選擇性地激活AmDOP3，對AmDOP1和AmDOP2均沒有效果(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誘導的cAMP反應的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 昆蟲多巴胺受體的藥理學特性

續(xù)表2 Table 2 continued

受體ReceptorsGenBank登錄號GenBankaccession no.信號轉導/表達細胞系Signal transduction/Expression cell lines激動劑AgonistsEC50(μmol/L)拮抗劑AntagonistsIC50(μmol/L)文獻References致倦庫蚊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被認為是D1-like DARs的選擇性拮抗劑，SCH 23390對蚊子DOP2受體(AaDOP2和CqDOP2)的抑制效應只是人類的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被認為可以抑制哺乳動物的DARs、5-羥色胺受體、腎上腺素受體和組胺受體，對昆蟲DOP1, DOP2, DOP3和DopEcR也均有抑制效應，但對DOP2的拮抗效果可達到納摩爾(nmol/L)級別(Mustardetal., 2003; Troppmannetal., 2014; Nussetal., 2015)。Butaclamol也可以拮抗4種DARs(Verlinden, 2018)。Chlorpromazine和chlorprothixene是結構上相近的拮抗劑，對DOP1, DOP2和DOP3均有抑制效果，且對DOP2的拮抗效應更好(Troppmannetal., 2014; Nussetal., 2015)。Methiothepin是哺乳動物和昆蟲5-羥色胺受體非選擇性的拮抗劑(Qietal., 2017)，但同時對DOP2也有很好的拮抗效應(Hilletal., 2016)。另外，Amitriptyline, asenapine和doxepin是蚊子DOP2受體(AaDOP2和CqDOP2)的強效拮抗劑，均達到納摩爾級別，但對HsD1受體只有較弱的效應(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拮抗的效果達到納摩爾級別，DopEcR也是目前唯一可以被昆蟲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是昆蟲許多生理與行為過程中的關鍵神經(jīng)激素，主要是通過特異性地結合其相應的DARs發(fā)揮作用。本文簡要地總結了昆蟲DARs的功能(表3)，并對其中一些調控過程進行概述。

4.1 取食

能量缺失對任何動物來說都是有風險的，因此饑餓控制著昆蟲的大部分其他需求或行為，而DA在昆蟲應對饑餓狀態(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以調控覓食行為，這種調控被6種DANs(PAM-β’2a, PAM-β2β’2a, PPL1-γ2α’1, PPL1-α’2α2, PPL-α3和PPL1-γ1pedc)介導；通過操縱這些DANs可以抑制饑餓果蠅的覓食行為或促進已飽果蠅的覓食行為，這些DANs的功能被在球形細胞(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)下會激活DA-WED神經(jīng)元，導致通過DOP2持續(xù)增加對下游FB-LAL神經(jīng)元的刺激促使對蛋白不斷攝取，同時信號通過DOP1到PLP神經(jīng)元誘導糖攝取的瞬時抑制(Liuetal., 2017)。在蜜蜂中，持續(xù)的覓食行為誘導了DOP2和DopEcR轉錄水平的上調，這可能與取食的獎賞有關(Singhetal., 2018)。

4.2 學習

DA在昆蟲學習行為過程中扮演著關鍵角色。在果蠅中，DOP1受體在MB神經(jīng)纖維網(wǎng)(neuropil)中高表達，在巴浦洛夫條件反射試驗中，DOP1被認為是調控厭惡和食欲學習的關鍵受體(Kimetal., 2007)。通過人為地激活MB的aSP13神經(jīng)元，果蠅的學習經(jīng)驗可以被模擬，這些特異DANs的突觸傳遞對于求偶學習十分重要，而在aSP13神經(jīng)元表達的DOP1受體參與了調控自然和人為的求偶學習(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)的學習損害(Seugnetetal., 2008)。在GABA神經(jīng)元中干擾DOP3影響了果蠅的厭惡嗅覺學習(Zhouetal., 2019)。埃及伊蚊Aedesaegypti可以通過學習回避防御性寄主的氣味，通過藥理學干預、RNAi和基因編輯影響DOP1受體的表達抑制了它們的學習能力，DA在介導蚊子學習行為誘導的可塑性中扮演著關鍵角色(Vinaugeretal., 2018)。DopEcR受體在厭惡學習試驗中蜜蜂的腦中高表達，而在食欲學習試驗中蜜蜂的腦中相對低表達，表明DopEcR在食欲和厭惡學習性狀中的潛在作用(Lagiszetal., 2016)。在雙斑蟀Gryllusbimaculatus中，DOP1被沉默，其厭惡學習受到了損害而食欲學習表現(xiàn)正常；DOP2被沉默，其厭惡學習和食欲學習均表現(xiàn)正常，由此可見DA通過DOP1受體調控雙斑蟀的厭惡學習(Awataetal., 2015, 2016; Mizunami and Matsumoto, 2017)。

表3 昆蟲多巴胺及其受體調控的功能

4.3 記憶與遺忘

記憶可幫助動物適應外界環(huán)境，記憶形成的分子機制被認為與神經(jīng)元之間的突觸傳遞有關(Takemuraetal., 2017)。記憶獲取和鞏固之間的平衡決定了記憶的長短，而DA信號在昆蟲不同記憶過程中發(fā)揮重要作用(Davis and Zhong, 2017)。研究發(fā)現(xiàn)果蠅不同類型的DANs參與調控不同的記憶類型，如PAM-γ5, PAM-β1, PAM-β2, PAM-α1和PPL1-γ1pedc等參與調控長期記憶(Huetterothetal., 2015; Placaisetal., 2017)，PAM-β’2和PAM-γ4等調控短期記憶(Huetterothetal., 2015)，刺激DANs可導致cAMP水平的上升，而其中的cAMP信號對控制長期或短期記憶是必需的(Blumetal., 2009)。研究發(fā)現(xiàn)DOP1受體通過偶聯(lián)Gs蛋白刺激cAMP合成從而介導記憶的獲取(Himmelreichetal., 2017)，同時發(fā)現(xiàn)DOP1可以調控食欲長期記憶(Ichinoseetal., 2015)，而在DOP1的突變體中恢復DOP1的表達也可恢復長期和短期記憶(Qinetal., 2012)，另外，DOP1通過其下游的翻譯調控因子Orb2A能將記憶獲取與記憶鞏固的過程連接起來(Kruttneretal., 2015)。MB中能量流的上調對促進長期記憶的形成是充分必要的，而在MB神經(jīng)元中的DOP2介導了DA作用于能量流的過程(Placaisetal., 2017)；PPL1-γ1pedc神經(jīng)元中的DOP2也被發(fā)現(xiàn)參與食欲長期記憶的形成(Mussoetal., 2015)。同時，另外的研究發(fā)現(xiàn)DA信號在MVP2神經(jīng)元發(fā)揮作用以調控食欲記憶，而令人奇怪的是相反地作用于下游cAMP信號的DOP2和DOP3受體均參與了食欲長期記憶的形成(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果蠅的遺忘(Berryetal., 2012)，通過RNAi在MB中敲除Gq蛋白抑制了遺忘，由此可見DOP2通過激活Gq蛋白調動Ca2+信號從而調控遺忘(Himmelreichetal., 2017)。

4.4 求偶與交配

求偶與交配行為對于昆蟲生存繁衍是十分關鍵的，被多種內外因素通過神經(jīng)調節(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雌果蠅的求偶行為，而在DANs中恢復VMAT的表達可以緩和VMAT雄果蠅突變體的求偶缺陷(Chenetal., 2013)。在未交配雄果蠅中，DOP1受體調控其求偶欲望(Limetal., 2018)；而DA通過DOP2受體將信號傳遞到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，可以恢復其求偶行為(Kuoetal., 2015)。分別突變DOP1, DOP2, DOP3和DopEcR均會導致果蠅交配時間的下降，表明DA是通過4種DARs調控交配的持續(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其他雄性的厭惡(Liuetal., 2009)；通過遺傳學和藥理學操作，發(fā)現(xiàn)果蠅雄雄求偶行為是通過DOP1調控的(Liuetal., 2008; Chenetal., 2012)。

4.5 睡眠與覺醒

睡眠對于維持昆蟲生理功能是不可缺少的(Helfrich-Forster, 2018)。在果蠅中，大量研究表明DA參與了睡眠和覺醒的過程，DANs通過MBs促進覺醒，將多巴胺信號輸入到背扇形體(dorsal fan-shaped body, dFSB)區(qū)域(Artiushin and Sehgal, 2017)。DOP1被發(fā)現(xiàn)在dFSB中介導DA的睡眠和覺醒作用(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，但在野生型果蠅dFSB中敲除DOP1可以恢復短睡眠的表型(Uenoetal., 2012)。另外，其他研究發(fā)現(xiàn)在dFSB中敲除DOP3可以導致總睡眠上升(Pimenteletal., 2016)。由此可見，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蛋白可以導致睡眠下降，另外dFSB可通過增加cAMP直接對DA的施用作出反應，但通過敲除DOP1可以消除(Uenoetal., 2012)。通過持續(xù)激活PKA也可導致睡眠不足，表明dFSB依賴DA的抑制通過cAMP依賴信號起作用(Liu QLetal., 2012)；另外，DA可以通過鉀通道超極化dFSB神經(jīng)元，這種效應可以被百日咳毒素(pertussis toxin, PTX)消除，也支持了DOP3下游Gi偶聯(lián)的機制(Pimenteletal., 2016)。在果蠅中，DOP1突變體增強了環(huán)境誘導的喚醒，降低了正常睡眠周期的喚醒，這兩種類型的喚醒可以被咖啡因相反地影響(Lebestkyetal., 2009)；咖啡因可以通過DA信號促進果蠅的喚醒，而DOP1受體可以介導這種咖啡因誘導的喚醒(Andreticetal., 2008; Nalletal., 2016)。

4.6 其他功能

DARs還可以調控昆蟲的其他生理與行為過程。在果蠅中，DOP1參與了抉擇行為的調控(Zhangetal., 2007)， DOP1, DOP3和DopEcR參與調控運動行為(Draperetal., 2007; Kongetal., 2010; Larketal., 2017)， DOP1和DOP3調控好斗行為(Alekseyenkoetal., 2013), DOP2調控變態(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可通過控制DA的合成調控其型變行為(Yangetal., 2014)，通過DOP1和DOP2分別調控群居與散居行為(Guoetal., 2015)；另外，DOP1可通過抑制microRNA-9a的表達介導飛蝗的嗅覺吸引行為(Guoetal., 2018)。在小地老虎Agrotisipsilon中，DopEcR調控了對性信息素的感知(Abrieuxetal., 2013, 2014)。在棉鈴蟲Helicoverpaarmigera中，20E通過結合DopEcR抑制了幼蟲的取食，促進了化蛹(Kangetal., 2019)。在二化螟Chilosuppressalis中，DA通過DOP1受體調控血細胞的吞噬(Wuetal., 2015)。由此可見, 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在昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中有著相對高的含量，且是豐度最高的單胺，在昆蟲中調控著多種生理與行為過程。隨著CRISPR/Cas9技術在大量昆蟲中成功地應用(Sunetal., 2017; Taningetal., 2017)，這將有利于研究昆蟲多巴胺信號通路中基因的功能；最新的實時成像技術可以特異地檢測到DA在果蠅MB中的動態(tài)變化，甚至能靈敏地檢測到單一神經(jīng)元中的變化(Sunetal., 2018)，這將更方便地追蹤DA在昆蟲中的微量變化，有利于探討DA的生理功能；近年來興起的單細胞測序可以從單一細胞水平進行轉錄組測序，有助于解析不同類型的單個DAN的轉錄調控網(wǎng)絡(Crockeretal., 2016; Davieetal., 2018)。這些分子生物學技術的進展，都將有利于昆蟲DA的研究更加深入地開展。

GPCRs是非常成功的藥物靶標，接近35%的藥物作用于這些受體以及它們相關的蛋白(Hauseretal., 2017; Sriram and Insel, 2018)。在無脊椎動物中，GPCRs長期以來被作為開發(fā)新型殺蟲劑的靶標，而DARs是其中的重要靶標之一(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劑的靶標(Chenetal., 2018; O′Flynnetal., 2018a)。由于昆蟲DARs的藥理學性質存在差異，不同類型的DARs的特異性激動劑或拮抗劑可作為選擇性殺蟲劑的合成前體。之前很多研究表明，擾亂多巴胺信號通路可以引起昆蟲死亡或導致其無行動能力或發(fā)育不良(Fuchsetal., 2014; Conleyetal., 2015; Bai and Palli, 2016)，因此合理設計以害蟲DARs和代謝酶為靶標的特異小分子，或構建可以表達靶向害蟲DARs和代謝酶基因的dsRNA或miRNA的作物，都將有益于害蟲防治。