劉清華組揭示動物本能性恐懼的遺傳學機制

撰文 | 劉志睿

責編|狄德羅

為什麼有些人生來膽小？為什麼有些人膽子特別大？未來我們能不能製造出像科幻片里那樣被消除恐懼感的「無畏」戰士？

恐懼，是一種以防禦為目的的生理行為，能在危險的情況下保護動物規避傷害。恐懼感的產生來源於兩種機制：先天遺傳或後天學習。對於前者，在自然界有很多生動的例子：如，老鼠生來就害怕貓，即便它從小是被關在籠子里長大的，這種對天敵的恐懼感似乎是與身俱來的。那麼，這種天生的恐懼感內在的遺傳機制是什麼？我們有沒有可能找到決定「勇敢/恐懼」的分子開關呢？

科學家們早已針對這個問題進行了一系列嘗試。經典的巴普洛夫恐懼實驗中，大鼠的條件性刺激（嗅覺、聽覺或視覺）可與非條件性刺激配對（如電足震）。研究已經發現，實驗室的大鼠對蛇或貓的恐懼行為可以被遺傳【1】。因而，若能建立穩定遺傳的實驗恐懼大鼠模型，將有利於揭開天生恐懼行為的分子遺傳機制。

已有證據表明，來源於動物天敵毛髮、皮膚、尿液、糞便或分泌物存在的氣味或利它素（kairomone）可被用來激發實驗性小鼠的天生恐懼行為。目前最有效的利它素是來自於狐狸氣味的2,4,5-三甲基-3-噻唑啉（TMT），可導致小鼠本能性的冷顫行為 ADDIN EN.CITE【2】。研究證明TMT的特異性受體可特異識別TMT／2MT引起動物的天生恐懼行為。因此，若利用遺傳學的手段損毀小鼠背根II類嗅覺神經元（OSN）可剝奪小鼠對TMT的天生躲避性行為。值得注意的是，利用光遺傳的方法激活表達嗅覺受體Olfr1019的OSN神經元可導致小鼠運動停止，相反基因敲除Olfr1019則使TMT誘導的小鼠恐懼行為部分喪失。另外，在其他部位中也可發現TMT敏感機制：如不表達TMT受體的格魯內伯格神經節（GG），可發生TMT誘導的恐懼行為 ADDIN EN.CITE【3】；三叉神經系統也被發現在TMT誘導的恐懼行為中起著關鍵作用【4】。因此，TMT有望被用來建立研究動物恐懼行為的實驗模型。

那麼，如何利用TMT恐懼動物模型建立能穩定遺傳的動物模型，發現天生恐懼行為的遺傳因素呢？

最近，北京生命科學研究所（NIBS）/德克薩斯西南醫學中心劉清華課題組在Nature Commnucaitions上發表題為Large-scale forward genetics screening identifies Trpa1 as a chemosensor for predator odor-evoked innate fear behaviors的論文，藉助大規模的遺傳學篩查2MT誘導的天生恐懼小鼠模型的隨機突變體，發現了介導天生恐懼的關鍵行為的關鍵分子。

研究人員首先用2MT成功建立了實驗大鼠恐懼模型，實驗組的小鼠（G1）比對照組在接受2MT刺激後具有更高頻次的恐懼性冷顫發生率（Control：0-15%，2MT：55-95%）。接著利用遺傳雜交技術，經過連續三代的穩定遺傳，從632個譜系中篩選了13222隻G3代小鼠，發現了高達33069個突變或剪輯體。在一個被命名為「勇敢」（Fearless）的突變家族（給葯2MT後僅有20-30%的冷顫率），發現這一突變家族與Trpa1的純合突變正相關。Trpa1是屬於TRP離子通道家族成員，TRP通道被認為是機體內負責化學物質，機械感受和溫度變化的感測器。Trpa1是一種辛辣感受器，對肉桂、芥子和其他有害的刺激性化學物質敏感，如福爾馬林和丙烯醛（催淚瓦斯）。Trpa1高表達於軀體感受系統，如三叉神經節、背根神經節和節狀神經節中，在傷害性感受尤其是痛覺中具有重要作用。

「勇敢」基因

Trpa1的發現

為了證實Trpa1是否是造成小鼠「勇敢」行為表型的唯一因素，研究者構建了Trpa1基因雙敲除小鼠Trpa1-/-。與正常小鼠相比，Trpa1-/-具備相似的焦慮行為，但2MT或TMT處理後，冷顫時間減少。另一方面，由於大部分Trpa1與Trpv1通道共表達，研究還構建了Trpv1敲除小鼠。結果發現，Trpv1-/-小鼠對2MT/TMT的反應時間與正常小鼠一致。同時，研究者向Trpa1-/-小鼠投送了它的天敵，蛇的蛻皮。與正常小鼠相比，Trpa1-/-小鼠體現了更短的冷顫時間，躲避時間和打鬥時間；卻表現出更多的嗅聞、移動、撕咬時間。這些結果表明，Trpa1基因在動物對天敵氣味的恐懼/防護行為中起著至關重要的作用。

動物本能性的探測來自其天敵的化學信號對於動物自身生存及其重要。國際上對這方面的研究還尚在起步階段。僅有的兩個相關基因為Taar4和Trpc2，前者可使動物感知食肉動物尿液中的2-苯基乙胺 ADDIN EN.CITE【5】，後者則可使動物嗅聞到來自貓或老鼠的非揮發性尿液蛋白【6】。這項工作首次使用遺傳學方法新發現了一個對TMT介導化學感受和蛇蛻皮引起的恐懼行為的關鍵感受器——Trpa1，對於豐富動物本能性識別外界化學分子機制的認識、研究動物天生或後天學習獲得的恐懼性行為都具有十分重要的奠基性意義。

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