Cell：血脑屏障通过改变激素水平来控制蚂蚁的行为

在包括蚂蚁在内的许多动物体内，血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）通过控制多种物质进出大脑来确保大脑的正常功能。在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学和普林斯顿大学的研究人员报告了一项意外发现：木工蚁（carpenter ant）的血脑屏障在控制行为方面发挥着积极作用，而这种行为对整个蚁群的功能至关重要。关键在于木工蚁的血脑屏障中产生了一种特殊的激素降解酶。相关研究结果于2023年9月7日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Hormonal gatekeeping via the blood-brain barrier governs caste-specific behavior in ants”。论文通讯作者为宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的Shelley Berger博士和Karl Glastad博士。

Glastad说，“在这些蚂蚁体内，血脑屏障产生一种特殊版本的保幼激素酯酶（Juvenile hormone esterase, Jhe），这种酶能降解保幼激素JH3。通常情况下，Jhe酶会分泌到称为血淋巴（hemolymph）的昆虫血液中；但蚂蚁血脑屏障产生的Jhe酶会保留在血脑屏障的细胞中，在那里它控制着进入工蚁大脑的JH3激素的数量。”

众所周知，JH3激素能促进工蚁的觅食活动。同一蚁群中不同类型的工蚁从事着截然不同的 “工作”。这些新的研究结果表明，这部分上是由于它们的血脑屏障中的JH3降解酶水平不同，导致大脑中的JH3激素水平不同。

这些作者说，这一发现强调了在正确的时间和正确的地点表达的一种蛋白如何对复杂社会中的个体行为产生重大影响。不仅是蚂蚁，他们已经有证据表明，类似的机制也可能在小鼠的行为中发挥作用。

这些作者利用单细胞 RNA 测序技术了解了觅食工蚁和兵蚁这两种蚂蚁行为阶层大脑中不同细胞基因活性的差异，从而获得了这一发现。他们的分析发现，编码Jhe（激素JH3的降解酶）的基因只存在于血脑屏障细胞中。该基因还显示出觅食工蚁和兵蚁的血脑屏障细胞之间的显著差异。他们想进一步了解这对蚂蚁行为的影响。

他们的研究表明，故意操纵Jhe降解酶的水平会重新编程大脑和不同蚂蚁阶层之间不同的复杂行为，将兵蚁转变为觅食行为。他们接着在果蝇中发现，Jhe酶天然存在于细胞外。当他们让果蝇血脑屏障细胞表达蚂蚁版本的Jhe酶时，他们观察到了与在蚂蚁身上观察到的类似的行为变化。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.002。

Glastad说，“不同蚂蚁阶层的血脑屏障在表达这种单一酶[Jhe]时的差异，控制着觅食或留在巢内作为士兵进行防御这一极为重要的决定，甚至可以重新编程果蝇，使其改变觅食行为。”

为了了解类似的机制是否适用于其他动物，这些作者还分析了来自一组小鼠内皮细胞（包括小鼠血脑屏障细胞）的已发表数据。他们发现，小鼠血脑屏障细胞也表达了几种激素降解酶，其水平高于任何其他类型的内皮细胞。最值得注意的是，这些酶包括降解一种称为睾酮的激素的酶。

Berger说，“这表明血脑屏障对激素进入大脑进行门控的功能远远超出了蚂蚁的范围，而且在蚂蚁身上看到的在不同行为条件下对激素进行不同门控的现象可能存在于包括哺乳动物在内的其他生物中。”

这些作者说，在未来的研究中，他们希望更多地了解这种机制的起源和普遍性，以及它是否是蚂蚁之外的动物控制行为的一种趋同策略。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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://phys.org/news/2023-09-blood-brain-barrier-ant-behavior-hormone.html