在包括螞蟻在內(nèi)的許多動物體內(nèi)，血腦屏障（blood-brain barrier, BBB）通過控制多種物質(zhì)進出大腦來確保大腦的正常功能。在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學和普林斯頓大學的研究人員報告了一項意外發(fā)現(xiàn)：木工蟻（carpenter ant）的血腦屏障在控制行為方面發(fā)揮著積極作用，而這種行為對整個蟻群的功能至關重要。關鍵在于木工蟻的血腦屏障中產(chǎn)生了一種特殊的激素降解酶。相關研究結果于2023年9月7日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標題為“Hormonal gatekeeping via the blood-brain barrier governs caste-specific behavior in ants”。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫(yī)學院的Shelley Berger博士和Karl Glastad博士。

Glastad說，“在這些螞蟻體內(nèi)，血腦屏障產(chǎn)生一種特殊版本的保幼激素酯酶（Juvenile hormone esterase, Jhe），這種酶能降解保幼激素JH3。通常情況下，Jhe酶會分泌到稱為血淋巴（hemolymph）的昆蟲血液中；但螞蟻血腦屏障產(chǎn)生的Jhe酶會保留在血腦屏障的細胞中，在那里它控制著進入工蟻大腦的JH3激素的數(shù)量?！?/p>

眾所周知，JH3激素能促進工蟻的覓食活動。同一蟻群中不同類型的工蟻從事著截然不同的 “工作”。這些新的研究結果表明，這部分上是由于它們的血腦屏障中的JH3降解酶水平不同，導致大腦中的JH3激素水平不同。

這些作者說，這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在正確的時間和正確的地點表達的一種蛋白如何對復雜社會中的個體行為產(chǎn)生重大影響。不僅是螞蟻，他們已經(jīng)有證據(jù)表明，類似的機制也可能在小鼠的行為中發(fā)揮作用。

這些作者利用單細胞 RNA 測序技術了解了覓食工蟻和兵蟻這兩種螞蟻行為階層大腦中不同細胞基因活性的差異，從而獲得了這一發(fā)現(xiàn)。他們的分析發(fā)現(xiàn)，編碼Jhe（激素JH3的降解酶）的基因只存在于血腦屏障細胞中。該基因還顯示出覓食工蟻和兵蟻的血腦屏障細胞之間的顯著差異。他們想進一步了解這對螞蟻行為的影響。

他們的研究表明，故意操縱Jhe降解酶的水平會重新編程大腦和不同螞蟻階層之間不同的復雜行為，將兵蟻轉變?yōu)橐捠承袨椤Ｋ麄兘又诠壷邪l(fā)現(xiàn)，Jhe酶天然存在于細胞外。當他們讓果蠅血腦屏障細胞表達螞蟻版本的Jhe酶時，他們觀察到了與在螞蟻身上觀察到的類似的行為變化。

圖片來自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.002。

Glastad說，“不同螞蟻階層的血腦屏障在表達這種單一酶[Jhe]時的差異，控制著覓食或留在巢內(nèi)作為士兵進行防御這一極為重要的決定，甚至可以重新編程果蠅，使其改變覓食行為?！?/p>

為了了解類似的機制是否適用于其他動物，這些作者還分析了來自一組小鼠內(nèi)皮細胞（包括小鼠血腦屏障細胞）的已發(fā)表數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，小鼠血腦屏障細胞也表達了幾種激素降解酶，其水平高于任何其他類型的內(nèi)皮細胞。最值得注意的是，這些酶包括降解一種稱為睪酮的激素的酶。

Berger說，“這表明血腦屏障對激素進入大腦進行門控的功能遠遠超出了螞蟻的范圍，而且在螞蟻身上看到的在不同行為條件下對激素進行不同門控的現(xiàn)象可能存在于包括哺乳動物在內(nèi)的其他生物中?！?/p>

這些作者說，在未來的研究中，他們希望更多地了解這種機制的起源和普遍性，以及它是否是螞蟻之外的動物控制行為的一種趨同策略。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Linyang Ju et al. Hormonal gatekeeping via the blood brain barrier governs caste specific behavior in ants. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.002.

2. Blood-brain barrier governs ant behavior by altering hormone levels, study shows
https:///news/2023-09-blood-brain-barrier-ant-behavior-hormone.html