全 文 ：第27卷 第9期
2015年9月
Vol. 27, No. 9
Sep., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)09-1103-11
DOI: 10.13376/j.cbls/2015152
收稿日期：2015-05-19； 修回日期：2015-06-25
基金项目：国家自然科学基金项目(1103514)
*通信作者：E-mail: ibbwuzx@mail.hust.edu.cn
秀丽线虫感觉功能研究进展
王　薇，吴政星*
(华中科技大学生命科学与技术学院生物物理与生物化学教育部重点实验室，武汉 430074)
摘　要：秀丽线虫神经系统规模小、结构简单，功能却很完备。线虫能够感受多种环境信号，产生相应的
行为反应，使其运动到适宜的环境中。线虫的感觉及调控机制一直是神经生物学家的研究热点。综述了线
虫机械感受、化学感受、温度感受、光感受、伤害性感受、氧气和二氧化碳感受以及湿度感受的最新研究
进展，为线虫感觉研究提供新的参考，也为高等动物感觉研究提供有利借鉴。
关键词：线虫；机械感受；化学感受；温度感受；光感受；伤害性感受；氧气和二氧化碳感受；湿度感受
中图分类号：Q42；Q957；Q959.174　　 文献标志码：A
Research progress of sensory functions and
mechanisms in Caenorhabditis elegans
WANG Wei, WU Zheng-Xing*
(Key Laboratory of Molecular Biophysics of the Ministry of Education, College of Life Science and Technology,
Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: The nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans is well functional despite its smallness in
size and simplicity in structure. The ability of perception of environmental cues makes C. elegans explore its
environment and move to favorable surroundings. The sensory functions and mechanisms in C. elegans are always
being the research focuses of neuroscientists. In this review, the recent progress of sensory study in C. elegans is
summarized, including mechanosensation, chemosensation, thermosensation, light sensation, nociception, oxygen
and dioxide sensation, and hygrosensation. This may provide insights on the sensory study into both C. elegans and
higher animals.
Key words: C. elegans; mechanosensation; chemosensation; thermosensation; light sensation; nociception; oxygen
and dioxide sensation; hygrosensation
高等动物的神经系统具有极其复杂的结构，这
对神经系统的功能研究带来了巨大的困难。尽管近
年来科学家在小鼠和果蝇等模式生物的神经功能研
究中取得了一系列进展，神经元如何感知外界环境
以及调节行为的具体机制仍然不是十分清楚。秀丽
线虫是一种个体结构简单的模式生物，具有易于饲养、
生长周期短、遗传操作简单、基因背景及细胞谱系清
楚等优点，因此，广泛应用于各个生物学领域的研
究。线虫的神经系统虽然相对简单，但却对机械感
觉、化学物质、温度等外界刺激具有灵敏的感知及
反应能力，其神经系统的活动与高等动物具有高度
相似性，因此，成为神经系统结构和功能研究的重
要工具。对线虫的神经调控和行为学的深入研究，
有助于我们了解高等生物更为复杂的神经功能。
雌雄同体线虫的神经系统由 302个神经元构
成，它们按照特定的结构组成不同的头部和尾部神
经节以及腹部神经索 (图 1)。尽管线虫的神经元结
构简单，但是它们相互连接形成一个复杂且精细的
信息处理网络 [1-2]。线虫的神经元的分类是通过其
解剖学特征来定义的，基于电子显微镜的连续切片
∙ 评述与综述 ∙
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图像，可以将线虫神经元分为 118类，每一类神经
元都有不同的位置、形态以及连接方式 [1,3]。线虫
神经系统的连接包括约 600个间隙连接、5 000个
化学突触连接以及 2 000个神经肌肉接头。
线虫的神经元按照在神经回路中的功能可以分
为 4类：感觉神经元、中间神经元、运动神经元以
及多模式神经元。感觉神经元具有明显的感受器特
征；中间神经元接收输入的突触信息，并能够将信
号整合输出至其他神经元；运动神经元与肌肉细胞
形成突触联系并能支配特定的肌肉细胞；多模式神
经元是一类具有多种功能模式的神经元 [4-5]。
线虫能够感知外界环境并产生趋利避害的行
为。它们能够感知的环境信号，包括机械感觉、温度、
水溶性及挥发性化学物质、有毒物质、渗透压、氧气、
pH值以及光线等，这些信号是由 24个感受器官以
及一些独立的感觉神经元感受的 [6-7]。感受器神经
元主要分为两类：一类通过神经胶质细胞产生的开
口将纤毛末端暴露于外界环境中，一般负责感受化
学物质；另一类则没有明显的开口结构，主要与机
械感受相关 [1,6]。非感受器神经元也能执行一些感
觉功能，如氧气和机械感受。通过这些神经元的作
用，线虫能够感知外界环境的变化，并通过改变其
运动和行为方式找到合适的生存环境。
1　机械感受
野生的线虫生活在土壤中，会持续地与土壤颗
粒以及其他生物接触，因此，它们能够通过机械感
觉神经元来调节其运动、觅食、产卵、咽部收缩抽动、
排便和交配等行为。雌雄同体线虫有 30个神经元
表达泛神经元报告基因unc-119::GFP的转基因线虫，左侧视图。神经元最集中的区域位于神经环附近的头部神经节，包括
咽后神经节和腹侧神经节，其次为尾部神经节(图中为近尾神经节和肛前神经节左侧视图)，还有一些零散的神经元，包括
ALM、CAN神经元及其他少量神经元(侧神经节)沿身体侧边分布。纵向神经束沿身体腹侧、亚腹侧、体侧、亚背侧、背侧分
布，将神经元胞体与主要神经纤维网相连。神经环前方有些感觉器的神经延伸至鼻尖处。腹神经索运动神经元沿腹神经索零
散分布，并通过神经接索将突起延伸至背神经索(如图中三角所示)。
图1 线虫神经系统[2]
可能参与机械感受，能够感受到的机械刺激包括身
体轻触、鼻尖轻触、身体重击以及培养基震动，此外，
还包括物体的质地、颗粒性质以及线虫的本体感受
等。线虫的机械感受器和本体感受器根据其细胞骨
架特征可以分为 3类：(1)有纤毛结构的感受器；(2)
包含微管蛋白原丝的触觉感受神经元 (又称为MT
细胞 )；(3)突起包含未分化的细胞骨架以及非突触
结构分支的神经元 [8-11]。
机械感受神经元是通过机械门控的离子通道产
生电流来感受力的作用，这些电信号再通过电突触
或者化学突触传递给其他神经元。在秀丽线虫中，
目前已经得到鉴定的机械门控的离子通道分属两个
蛋白亚家族：TRP通道是由 6个跨膜的 α螺旋亚基
组成的非选择性阳离子通道；异源三聚体 DEG/
ENaC通道能够选择性通过钠离子以及钙离子 [12-14]。
到目前为止，经研究发现线虫的基因组可能包含 23
个 TRP通道以及 28个 DEG/ENaC通道基因 [15]。
线虫感受机械刺激的机制比较复杂，不同的刺
激方式由不同的神经通路介导。用柔软的毛发对线
虫身体的轻触刺激由 6个感觉神经元感受，其运动
响应涉及到另外 6个中间神经元和 69个运动神经
元 [10,16]。机械感受神经元由树突接收触觉刺激，然
后由轴突将信号传递至下游神经元。刺激线虫身体
后半部分会使它们加速向前运动，反之刺激其身体
前半部分，它们会产生后退运动，这是由机械感觉
神经元在身体的分布位置所决定的。ALM (前部外
侧MT细胞 )和 AVM (前部腹侧MT细胞 )能够响
应身体前部的机械刺激，而 PLM(后部外侧MT细胞 )
和 PVM (后部腹侧MT细胞 )则负责身体后部机械
王　薇，等：秀丽线虫感觉功能研究进展第9期 1105
刺激。触觉感受神经元突起的长度大约为 400~500
μm，其内部充满相互交联成束的直径约为 30 nm、
长度 10~20 μm的微管蛋白原丝 (15-protofilament)，这
些原丝随着线虫的发育而增加 [17-18]。微管蛋白二聚
体 MEC-12 (α-tubulin)以及 MEC-7 (β-tubulin)共同
组装形成这些原丝结构 [19]。
触觉感受神经元也能感受到敲击培养基造成的
震动，这种机械刺激是全身性的。培养基震动会造
成线虫反向运动或者后退，这说明其身体前部的机
械感觉通路可能在全身性震动感受中起到主要的作
用。L4到成虫时期的线虫这种后退行为尤其明显，
可能是由于这个时期 AVM在发育的过程中通过与
AVB中间神经元形成的抑制性连接偶联到前部感觉
神经通路 [20-22]。
线虫在缺失所有轻触感觉神经元的情况下，仍
然能够感受到身体的重触刺激 [20]，如使用铂丝按压
线虫的身体。烧除 PVD神经元可以消除这种行为，
说明 PVD是重触感受的重要神经元，PVD的突触
后连接神经元为中间神经元 AVA和 PVC[23]。PVD
神经元沿着线虫体壁有丰富的突起分支，从颈部到
尾部，覆盖了整个背部和腹部区域 (图 2)[24]。最近
的研究发现，ALM也能参与重触感受 [25]。
(A)介导身体重触(PVD)和尾部重触(PVC)的神经元，侧视图。(B)成虫PVD神经元腹侧侧视图，PVD神经元多处具呈短分支结
构(箭头)。
图2 感受重触的感觉神经元[2]
鼻尖的重触会导致线虫产生剧烈的后退反应，
这一过程主要依赖3类具有纤毛末端结构的神经元：
FLP、ASH和 OLQ[26]。FLP神经元与 PVD神经元
有相似且互补的分支结构，并能与 ASH神经元共
同作用感受头部的重触刺激 [27-28]，OLQ可以增强机
械性感受。鼻尖轻触会使线虫头部回缩并产生短暂
的后退，其头部的侧向摆动也会受到抑制，这种行
为主要是由 OLQ和 IL1介导的 [29]。IL1和 OLQ神
经元通过突触连接到头部神经环运动神经元，同时，
IL1也直接通过突触连接到头部肌肉。FLP神经元
也能感受鼻尖轻触并产生一个躲避反应，OLQ和
CEP能够促进这一反应，并且 RIH中间神经元能够
整合这一感觉信号 [28]。
线虫能够感受到其所在的环境的质地，这是由
多巴胺能神经元 CEP、ADE和 PDE介导的 [30]。作
为嗅觉的补充，区分不同质地的界面能够帮助线虫
更快地找到环境中的食物。
线虫还能够感知自身的拉伸或者收缩，一些没
有突触、没有分支、形态上没有特化的神经元可能
参与其本体感受刺激，包括 A型和 B型运动神经元、
PHC、一些咽部神经元以及雄虫尾部神经元 [31-32]。
其中一些神经元可以感受线虫运动时身体的弯曲度，
并为肌肉的交替收缩提供反馈 [33]。DVA神经元被证
实具有本体感受的属性，其对拉伸的敏感度是由
trp-4膜通道传导的 [34]。烧除 PVD神经元会导致线
虫身体弯曲障碍，因此，PVD可能也参与本体感受 [27]。
2　化学感受
线虫对化学物质十分敏感，能够探测和感受多
种化学物质。在土壤中，线虫通常生活在空气与水
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的交界面。由于在生存环境中，线虫同时接触液体
化学物质和气体化学物质，使线虫具有既能够探测
可溶性化学物质 (化学和味觉感受 )，又能探测挥
发性化学物质 (气味和嗅觉感受 )的特性。对水溶
性化学物质，线虫的感受浓度精度能达到微摩尔数
量级 [35]；对气体分子，线虫的感受浓度精度能到达
埃摩尔数量级 [36]。挥发性的分子通过扩散在空气中
快速传播，而水溶性分子在土壤中扩散相对缓慢。
因此，在线虫觅食过程中，水溶性化学物质主要在
短距离范围起趋化作用，挥发性化学物质可在长距
离范围起趋化作用。
趋化行为学实验，主要考察线虫能否在具有某
种化学物质浓度梯度环境中沿浓度梯度运动。经筛
选，已鉴定出线虫能够辨识的化学物质，包括盐、
氨基酸、环核苷酸、维生素等水溶性化学分子，以
及醇类、醛类、酮类、酯类、吡嗪类、噻唑类、芳
香族等挥发性有机分子 [6,37]。
具有化学感受功能的神经元共 14种 (32个 )，
呈左右对称结构，分别来自头感器 (11对 )、尾感
器 (2对 )和内唇感觉器 (6个 )。这些化学感觉神经元
(除 AWA、AWB、AWC三对神经元外 )通过感觉器
的开口结构，直接将感觉纤毛暴露到外界环境中 [6]。
头感器神经元 ASE、ADF、ASG、ASI、ASK、ASJ
主要感受水溶性吸引物质 [38-39]；ASH神经元是主要
的伤害性感觉神经元，能够感受多种排斥性化学物
质 (也包括挥发性化学物质 )，并且在这些刺激性
感受中，ASH神经元还需要其他神经元 ADL、
ASE、ASK的辅助作用 [40-41]。头感器中另外 3对神
经元 AWA、AWB、AWC，纤毛呈翼型嵌入鞘细胞，
并不与外界直接相通 [42]，起嗅觉感觉作用 [43]。两对
尾感器神经元 PHA、PHB在化学排斥行为中起调控
作用 [41]。内唇感觉神经元 IL2也被认为具有化学感
觉作用 [44]。激光烧除实验证明，ASE神经元在感受
吸引性水溶性化学物质中起主导作用 [38]，ADF、
ASG、ASI、ASK、ASJ神经元起辅助作用 [38-39]。
ASE是一对在解剖结构上左右对称的神经元，但是
ASEL和 ASER却表达不同的化学受体基因，具有
截然不同的功能 [45-47]。线虫基因组编码 24个受体型
鸟苷酸环化酶，大部分受体型鸟苷酸环化酶表达在
不同类型感觉神经元中，调控不同的感觉行为 [48-51]。
ASE神经元中表达 11个受体鸟苷酸环化酶 (以 gcy
命名 )，其中 9个在ASEL和ASER中呈非对称表达：
gcy-6、gcy-7、gcy-14、gcy-20 在 ASEL 中 表 达；
gcy-1、gcy-3、gcy-4、gcy-5、gcy-22 在 ASER 中表
达 [52-53]。这些鸟苷酸环化酶在 ASE神经元中作为
离子受体起作用 [45,54]，因此，赋予 ASEL和 ASER
不同的感觉功能。在ASEL中，gcy-6负责Mg2+感受，
gcy-14是 Na+和 Li+感受所必需的；在 ASER中，
gcy-4负责Br-和 I-感受，gcy-1是K+感受所必需的 [45]。
在水溶性吸引剂浓度呈梯度分布的环境中，线
虫采用“偏好性随机运动”和“急转”策略，最终
到达吸引剂浓度最高处 [55-56]。这些策略基于线虫对
吸引剂浓度的短时程记忆，通过比较浓度变化是升
高还是降低，决定是保持运动方向或是调整运动方
向。钙成像实验表明，盐离子浓度升高时，ASEL
兴奋，抑制转向并促进向前运动；盐离子浓度下降
时，ASER兴奋，使线虫转向频率增加 [46]。ASE神
经元通过控制线虫的转向频率使线虫顺浓度梯度运
动。在 tax-2、tax-4、egl-4突变线虫中，ASE神经
元钙信号消失 [46]，且离子趋化性行为异常 [57-58]，共
同说明 cGMP信号通路可能在 ASE神经元中起信
号转导作用。
在线虫嗅觉感受中，AWC和 AWA神经元介导
吸引性气味感受 [59]；AWB神经元负责感受厌恶性
气味，在长时程躲避行为中起重要作用 [60]。与 ASE
神经元类似，AWC的两个神经元的功能也有差异。
化学感觉受体基因 str-2随机表达在 AWC左右侧神
经元中，根据是否表达 str-2基因，可以将 AWC两
侧神经元分为 AWCON和 AWCOFF，AWCOFF中表达
另一化学感觉受体基因 srsx-3[43,61-62]。AWCON感受丁
酮，AWCOFF感受戊二醇，AWCON和 AWCOF均能
感受苯甲醛和异戊醇。AWA神经元能够感受多种
吸引性气味 [59]。正向遗传学筛选发现，吸引性气味
双乙酰的受体为 ODR-10，odr-10基因仅在 AWA神
经元表达，是一种 G蛋白耦联受体 (GPCR)[63]。若将
odr-10基因表达在 AWB和 AWC神经元中，也能
赋予这两种神经元双乙酰敏感性。有意思的是，当
odr-10表达在 AWB神经元时，原本对线虫具有吸
引作用的双乙酰变成了排斥剂 [60]；odr-10表达在
AWC神经元时，双乙酰维持吸引作用 [43]。
化学感觉信号转导通常依赖于 GPCR信号通
路、cGMP信号通路以及 TRPV通道 [6]。线虫基因
组编码 1 000多种 GPCR，据推测其中具有化学感
受功能的受体可能超过 500种 [6,64-67]。在 GPCR信号
通路中，G蛋白的下游可能是 TAX-2/TAX-4组成的
cGMP门控的离子通道 (图 3)，或者是 OSM-9/OCR-2
组成的 TRPV通道 [6,68]。除 GPCR外，鸟苷酸环化
酶和 TRPV通道也能直接作为受体起作用 [6,52,69]。
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3　温度感受
线虫在 12~27 ℃范围内都可以生长和繁殖 [70]，
线虫可以准确感知这一范围内的温度并且反应在其
趋温行为上。将线虫在 15~25 ℃范围内的有食物的
环境中培养，当把它们转移到一个温度梯度的环境
中时，它们趋向于分布到其培养条件的温度环境。
相反，将线虫在一个温度中饥饿一段时间后放置到
温度梯度中时，它们则会避开饥饿时的温度 [37,70]。
这种温度选择或者躲避行为具有可塑性，可以通过
与食物或者饥饿偶联培养来改变。通过趋温行为，
线虫可以避开不利的环境并且改变其在土壤的深
度。线虫通过改变其转向的频率以及运动的距离迁
移到其喜好的温度区域，一旦其到达喜好温度偏差
3℃范围内，它们就可以通过不停的转动头部方向
更加精确地找到最适温度 0.05℃的区域 [71-72]。
线虫一共有 3种感受温度的神经元，其中
AFD起主要的温度感受作用，AWC和 ASI起辅助
功能 [73-76]。AFD神经元的树突末端具有复杂的刷状
结构，并且包埋于头感器鞘细胞中，AFD神经元的
缺失会导致温度感受障碍。AFD神经元中与温度感
受相关的分子包括：钙调磷酸酶 TAX-6、3个具有
冗余功能的受体类型鸟苷酸环化酶 (GCY-8、GCY-
18、GCY-23)以及 cGMP 依赖的 TAX-2/TAX-4 阳
离子通道。tax-6突变的线虫喜好温度高的环境，而
acy-23;gcy-8;gcy-18三突变的线虫则表现为好冷或
者无明显趋温性。在 AWC神经元中，G蛋白信号
可能的模型为：GPCR感受气体分子后，激活Gi样蛋白ODR-3，通过活化受体鸟苷酸环化酶ODR-1和DAF-11，产生大量
cGMP，打开由TAX-4和TAX-2组成的cGMP门控通道，使细胞去极化。同时，ODR-3还能调节磷酸二酯酶的活性，使cGMP
转化为GMP，以调节胞内cGMP水平。
图3 AWC神经元探测气味的信号转导通路[6]
通路以及 cGMP依赖的 TAX-4阳离子通道与温度
感受相关。在目前的温度感受模型中，下游的中间
神经元 AIY的信号是由感觉神经元 AFD和 AWC
输入的，并且感觉信号通过 EAT-4/VGLUT依赖的
谷氨酸能神经递质传导。AFD输入的谷氨酸能信号
通过激活谷氨酸门控的氯离子通道来抑制 AIY神经
元的兴奋，促使线虫向低温的方向运动。反之，从
AWC输入的谷氨酸能信号激活 AIY使线虫向高温
方向运动 [74-75,77]。AIY神经元缺失导致线虫喜好比
培养温度更冷的环境，而当烧除 AIY的下游神经元
AIZ时，线虫则产生嗜热表型 [37](图 4)。
线虫同样能够对极冷或者极热的伤害性刺激作
出反应，如当将线虫暴露于 30 ℃会导致它们在几
个小时之内停止产卵，在回到正常温度之后则恢复
产卵行为 [78-79]。线虫遇到极热刺激时会产生躲避反
应 [80]。线虫身体中部的 PVD神经元能够响应极冷
刺激，而头部的 AFD和 FLP以及尾部的 PHC则响
应极热刺激 (-35~38 ℃ )[25]。线虫感受极热伤害性刺
激的神经通路不同于普通的温度感受通路，是由谷
氨酸以及编码神经肽的基因 flp-1调节的。线虫不
同的神经元中，有两个通道蛋白家族在伤害性温度
刺激响应中起作用：TAX-2/TAX-4环核苷酸门控通
道 (CNG)以及温度敏感的 TRP通道 (TRPA、TRPM
以及 TRPV离子通道家族 )[81]。当遇到极热刺激时，
AFD 神经元中的 GCY-12 能够激活 cGMP 信号
(GCY-8/18/23也能起到一定程度的激活作用 )，进
而激活 TAX-2和 TAX-4的功能；在 FLP和 PHC神
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(A)AFD神经元中，温度刺激由感觉末梢的GCY或者其他未知受体直接感受，然后由被活化的G蛋白激活鸟苷酸环化酶GCY-
8、GCY-18以及GCY-23，使胞内cGMP浓度升高，打开cGMP门控通道TAX-2/TAX-4/CNG-3，促使钙离子内流并最终导致
AFD神经元去极化。此外，钙调磷酸酶TAX-6用于维持钙离子浓度；钙离子可以激活钙调蛋白激酶CMK-1，继而促进GCY基
因的转录；钙和PKC-1还可以调节胞吐作用。(B)AWC神经元中，G蛋白偶联受体SRTX-1可能会减慢温度感受的响应速度。G
蛋白ODR-3激活鸟苷酸环化酶ODR-1，通过改变cGMP浓度调节CNG通道，G蛋白EAT-16对ODR-3具有阻碍作用。(C)AFD神
经元通过释放谷氨酸，激活离子型谷氨酸受体GLC-3抑制AIY神经元的活性，产生嗜冷行为；而AWC神经元通过释放谷氨酸
激活AIY神经元，产生嗜热行为。此外，AFD神经元可能通过肽对AIY神经元产生兴奋性突触信号；AWC神经元通过G蛋白
信号通路对AIY神经元产生抑制性突触信号，SRTX-1可使抑制性信号减弱。
图4 温度感受信号通路[77]
经元介导的伤害性温度刺激响应中，OCR-2和
OSM-9 TRPV通道形成的异源多聚体通道复合体能
够在信号传输过程中起作用；PVD对极冷刺激的
响应则依赖于 TRPA-1通道的功能 [25]。2014年，
Ohta 等 [82]研究发现，ASJ神经元本身能够感受温
度，同时也可以通过胰岛素的分泌介导温度向其他
组织的传递，例如可以导致肠细胞膜脂质成分的
改变。
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线虫的一些非神经元细胞也能参与温度感受，
如体壁肌肉细胞以及肠细胞可以通过热休克转录因
子 HSF-1传递温度信号 [83]。HSF-1能够调节雌激素
的合成，因此，其可能是通过核激素受体 NHR-96
来调节温度信号向 AFD神经元的传递 [83]。线虫在
低温下存活时间更长 [84]，但是，2013年，Xiao 等 [85]
研究发现，低温不仅能够降低线虫的化学反应，而
且能够激活其肠细胞上的 TRPA-1通道，引起钙离
子流入，进而通过 PKC-2调节 DAF-16/FOXO 信号
通路而延长其寿命。
4　光感受
线虫生活在黑暗的土壤环境中并没有专门的光
感受器官，但却能够对光刺激产生躲避反应，这可
能是线虫能够躲避致命的阳光刺激并维持在土壤中
生活的原因 [86-87]。线虫能够对蓝紫光以及高能量的
紫外线产生强烈的躲避反应。短波长的光对线虫运
动的影响主要是通过两个关键的信号分子，环腺苷
酸 (cAMP)以及二酰基甘油 (DAG)。缺乏这两种分
子的线虫在环境光下表现为运动麻痹，对重击刺激
无反应，但是短波长的光刺激却能够使它们恢复到
正常的运动水平 [87]。线虫介导光感受的神经元包括
ASJ、AWB、ASK、ADL以及 ASH。光刺激通过
激活 cGMP敏感的 CNG通道使神经元产生去极化
电流，这种转导方式与哺乳动物类似 [86]。进一步研
究表明，光感受神经元 ASJ通过一个 G蛋白介导的
过程传导光信号，这一过程需要膜偶联的鸟苷酸环
化酶 DAF-11。此外，无脊椎动物味觉感受器家族的
LITE-1通过 G蛋白偶联的信号上调 cGMP水平，进
而打开 CNG通道，最终激活光感受神经元 [87-88]。
5　伤害性感受
伤害性感受包括强烈的机械刺激、有毒化学物
质、刺激性气味、重金属离子、高渗透压、酸性环境、
极冷或极热环境以及短波长光刺激等 [89-90]。伤害性感
受能使线虫躲避环境中有毒或者有害的刺激，是保
证其生存的基础。ASH神经元是一种多能性伤害感
受器，其纤毛暴露于体外，在受到机械刺激或伤害
性化学刺激后，可以产生不同强度和方式的谷氨酸
释放，促使下游中间神经元产生不同的行为效应 [91]，
以此介导对伤害性刺激的快速躲避反应 [44,60,92]。
ASH神经元介导的行为都依赖于定位在感觉纤毛的
TRPV通道蛋白 OSM-9和 OCR-2[68]，TRPV通道可
被机械刺激、伤害性化学刺激、渗透压刺激激活，
但是其具体机理是直接激活还是作用于 GPCR以及
G蛋白下游仍存争议 (图 5)[6]。
6　氧气和二氧化碳感受
线虫没有专门的呼吸系统，它们的气体交换完
全依赖扩散。线虫可以在 2%~21%的氧气环境中维
可能的模型为：GPCR感受排斥剂，激活Gi样蛋白ODR-3，上调多不饱和脂肪酸的含量，脂类的移动使OSM-9和OCR-2组成
的TRPV通道打开，细胞去极化。此外，GPCR激酶GRK-2可促进ASH神经元激活；ODR-3还具有活化磷酸脂酶的功能，可下
调多不饱和脂肪酸的含量；TRPV通道可被机械、化学、渗透压刺激直接激活，这个过程可能需要OSM-10亚基的协助。
图5 伤害性感觉神经元ASH信号转导通路[6]
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持正常的新陈代谢，氧气需要扩散至其假体腔液中，
并提供给身体各组织 [93]。在一个氧气梯度的环境中，
线虫会避开太高或者太低的氧气环境并快速运动到
氧气含量 7%~14%的区域 [94-96]。野生状态的线虫生
活在富含有机物的土壤层中，氧气含量随着微生物
的代谢而改变，因此，氧含量对线虫来说可能一定
程度上指示食物存在与否。氧气的感受由一些神经
元网络完成，包括 AQR、PQR、URX、SDQ、ALN、
BDU、ADF以及 ASH[94,97]。AQR、PQR和 URX沿
着线虫身体长轴分布并与假体腔密切接触，可能负
责感受假体腔内的液体的状态，包括其氧含量 [96]。
AQR位于线虫身体右侧，PQR位于左侧，两者都
有纤毛结构末端。AQR的末端直接暴露于假体腔，
PQR的末端则由感受器槽细胞包裹并贴近假体腔，
URX细胞的胞体位于假体腔。AQR、PQR、URX以
及 SDQ、BDU、ALN、PLN都能表达能结合氧气
的可溶性鸟苷酸环化酶 (sGC)。SDQ神经元在细胞
谱系、形态以及神经连接等方面都和 AQR、PQR
比较相似。此外，伤害性感受神经元 ADF和 ASH
也可能直接参与氧气感受。氧气感受神经元的信号
汇集到中间神经元 AVA，最终产生后退反应。高氧
环境的躲避反应是由神经肽受体 NPR-1、转化生长
因子 β (TGF-β)相关蛋白 DAF-7以及 ADF产生的
五羟色胺介导的，而低氧环境的躲避反应则可能不
依赖这些分子途径 [97]。
野生环境下，线虫生活在富含腐殖质的地方，
这些地方二氧化碳的浓度变化很大。与其他动物类
似，高浓度的二氧化碳对线虫是有害的，如损害肌
肉组织、降低生育力以及减慢发育 [98-100]，因此，当
二氧化碳浓度高于 0.5%时，线虫显示出强烈的躲
避反应。线虫主要的二氧化碳感受神经元是 AFD、
BAG和 ASE[101]。AFD和 BAG中二氧化碳感受器
是 TAX-2/TAX-4组成的 CNG通道，在 BAG中还
包括非典型可溶性鸟苷酸环化酶。二氧化碳浓度增
高时，AFD神经元会产生一个先降后升的钙信号，
而当二氧化碳浓度降低时则会产生一个钙信号峰
值。BAG和 ASE都会被二氧化碳激活并且在高二
氧化碳情况下持续兴奋。二氧化碳感受的其他调节
因素还包括线虫的生理状态、神经肽 Y受体、
NPR-1以及钙调磷酸酶亚基 TAX-6和 CNB-1。
7　湿度感受
水分对动物的生存至关重要，很多动物都存在
与湿度感受相关的行为，但是湿度感受的分子机制
仍然不是十分清楚。最近的研究表明，线虫在正常
培养条件下对湿度没有明显的选择性，但是饥饿的
线虫对湿度表现出很强的偏好性，它们可以区分每
毫米 0.03%的相对湿度变化 [102]。细胞特异性的烧
除以及回复实验证明，线虫对湿度的感受需要机械
感觉途径与温度感受途径的偶联。机械感受途径需
要 FLP神经元中一个保守的 DEG/ENaC/ASIC机械
感受复合体的参与。由于湿度水平影响线虫角质层
的水合作用，因此，线虫可能通过表皮下的 FLP神
经元树突分支感受角质层的拉伸度来区分湿度。温
度感受途径需要 AFD神经元的 cGMP门控通道。
由于湿度水平会造成蒸发吸热，因此 AFD可能通
过温度变化来区分湿度。因此，线虫可能是通过整
合机械感觉与温度感受来感受湿度的，这种感受策
略在昆虫或者人类中是保守的 [102]。
8　总结与展望
尽管线虫主要的感觉通路已经被找到，感觉信
号与行为之间偶联的具体机制仍然需要进一步探
索。目前的研究方法还存在一些弊端，如遗传筛选
可能会遗漏部分具有冗余功能或者多效性的基因。
未来具有挑战性的工作包括：明确所有特异性感觉
的相关基因；感觉神经元、中间神经元与行为之间
的信息转导整合机制；有纤毛和无纤毛神经元在信
号转导网络中的差异；感受分子如何与不同类型的
GPCR作用、如何打开离子通道；感觉信息与学习
记忆、行为可塑性之间的关联等等。
动物的行为来自其神经回路、生活环境以及经
验学习三者之间的相互影响，动物如何探测环境、
响应环境刺激一直都是研究热点。秀丽线虫只有
302个神经元，却能显示出相当复杂的行为方式。
得益于神经元的形态以及突触联系已经比较清楚，
线虫已经成为一个比较理想的神经生物学研究的模
式生物。尽管线虫的神经系统极为简单，但是它的
很多基因以及信号通路与哺乳动物相似。在线虫中
可以很方便地操作单独的基因或者单个神经元的活
性，这为科学家研究神经元之间信号的传递以及动
物行为的调节方式提供了极大的便利。未来对于线
虫神经系统机理的进一步探索将使我们对高等生物
复杂的神经网络有更好的认识。
[参　考　文　献]
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