動物行為研究的新進展（二）：分子遺傳學與動物行為

尚玉昌

教授，北京大學生命科學學院，北京 100871

分子遺傳學與動物行為有著密切關(guān)系，它不僅可用于檢驗動物行為學中的各種假說，而且也可用基因直接解讀動物行為的很多特征。有些行為是由單一基因決定的，有些行為是由兩個基因決定的，而大多數(shù)行為是由3個或更多基因決定的。如果發(fā)現(xiàn)X基因的某個變體是與Y行為的一個變體相關(guān)聯(lián)的，那么就可以確定這個基因與這一行為間存在著直接和近期的關(guān)系。目前在全球范圍內(nèi)的幾百個實驗室內(nèi)正在進行大規(guī)模的基因鑒定工作，以確定是哪些基因在決定著動物行為的特征。在這一領域從事研究的科學家還不斷探討并試圖搞清動物行為特征的分子遺傳學基礎。本文以兩個研究實例詳細說明在這一領域的研究方法、研究現(xiàn)狀和研究進展。

當前正在蓬勃發(fā)展的一個生物學領域是分子遺傳學，現(xiàn)已有越來越多的研究成果表明：分子遺傳學與動物行為有著密切的關(guān)系。分子遺傳學不僅可用于檢驗動物行為學中的各種假說，而且也可用基因直接解讀動物的很多行為特征。有些行為是由單一的一個基因決定的，如小桿線蟲（Rhabditis inerims）。如果讓小桿線蟲的兩個亞種進行雜交，而且其中只有一個亞種身體前端能做波浪式運動（圖1）。結(jié)果第一代線蟲全都能做波浪形運動，但到了由這些雜種產(chǎn)生的下一代（F2），便產(chǎn)生了兩種行為型的線蟲：能做波浪形運動的和不能做波浪形運動的，而且兩者的比例是3∶1。這說明，做波浪形運動這一行為特征是一種顯性特征，而且是受單一基因支配的。有些行為是由兩個基因共同決定的，如蜜蜂的親代撫育行為。這里所說的親代撫育行為是指工蜂把死于蜂室中的幼蟲叼走這一行為。衛(wèi)生蜂品系能夠咬破蜂室的蠟蓋并能把死幼蟲叼走，而非衛(wèi)生蜂品系缺乏這種行為。當兩個品系的蜜蜂雜交時，其雜交后代（F1）全都是非衛(wèi)生蜂。但當F1世代與親本衛(wèi)生蜂品系回交時，便會產(chǎn)生四種不同行為型的個體，除了衛(wèi)生蜂和非衛(wèi)生蜂外，又出現(xiàn)了兩個在正常情況下不會見到的行為型，一個是可以咬破蠟蓋但不把幼蟲叼走，另一個是不會咬開蠟蓋，但如果蠟蓋被人打開，它能把死幼蟲叼走。這四種行為型的發(fā)生頻率大體相等，這表明：咬開蠟蓋和叼走幼蟲的行為分別是由兩個基因控制的，而這兩個基因都是隱性的，換句話說，非衛(wèi)生行為是顯性的。因此只有兩對等位基因都是隱性的時候才會表現(xiàn)出完全的衛(wèi)生行為（既能咬開蠟蓋又能叼走幼蟲）（圖2）。但動物的大多數(shù)行為都是由3個或更多基因決定的。

如果在研究中發(fā)現(xiàn)X基因的某個變體是與Y行為的一個變體相關(guān)聯(lián)的，那么我們就可以確定這個基因與這一行為之間是存在著直接和近期的關(guān)系。目前在全球范圍內(nèi)的幾百個實驗室內(nèi)正在從事大規(guī)模的基因鑒定工作，以確定是哪些基因在決定著動物行為的特征。在這一領域從事研究的科學家還不斷探討并試圖搞清動物很多行為特征的分子遺傳學基礎。下面我們就以兩個實例來說明在這一領域的一些研究現(xiàn)狀和研究進展。

圖1 某些小桿線蟲身體前端可做波浪形運動，使身體抬升到基底之上

圖2 衛(wèi)生蜂和非衛(wèi)生蜂雜交的基因型分析

1 鳥類的紫外光視覺——斑馬雀為什么能感受并看到紫外光？

現(xiàn)已查明，發(fā)生在分子遺傳學水平上的一個單一變化便能對動物的重要行為特征產(chǎn)生明顯的影響。就動物的紫外光視覺來說，很多動物都能感受和看到紫外光（人不能），如很多魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類和哺乳動物，甚至很多昆蟲也能看到紫外光［1－3］。脊椎動物的紫外光視覺是由視網(wǎng)膜色素決定的，這種視覺常被用于動物的求偶、覓食、狩獵和發(fā)送社會信號等活動［4］。例如：雌斑馬雀可依據(jù)紫外光的波長選擇自己中意的配偶，但遺憾的是，直到現(xiàn)在我們還不清楚紫外光視覺的近期機制是什么，為什么有些動物能利用紫外光進行狩獵、發(fā)信號和吸引配偶，另一些動物則不能。

Yokoyama及其同事（2000年）［5－6］利用分子遺傳學克隆技術(shù)研究了斑馬雀（Taeniopygia guttata）的紫外光視覺，在自然情況下，斑馬雀能看到紫外光，但借助于改變一個氨基酸就能把紫外光色素（能使鳥類看到紫外光的色素）轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙兀ㄊ锅B類看不到紫外光的色素），可見這個氨基酸是多么重要。只要它一發(fā)生變化，斑馬雀就再也看不到紫外光了，此時它看到的只是紫色光。

更為有趣和引人注目的是Yokoyama及其同事［5－6］還利用雞和鴿子進行了反向?qū)嶒?，這兩種鳥都不具有紫外光色素［7］，因而在正常情況下是看不見紫外光的，但同樣是借助于改變一個氨基酸并利用一些與斑馬雀極為相似的DNA片斷，就能使雞和鴿子由紫色素轉(zhuǎn)變?yōu)樽贤夤馍?。由于氨基酸的這一變化使原來不能看到紫外光的雞和鴿子現(xiàn)在都看到了紫外光。

此后又有大量的研究工作進一步闡明了動物紫外光視覺的分子遺傳學基礎，例如：①現(xiàn)已有證據(jù)表明，很多無脊椎動物（如果蠅）的紫外線視覺也具有同樣的分子遺傳學機理，即也是與單個氨基酸的改變相關(guān)聯(lián)的［1］；②有些鳥類雖然其祖先物種已經(jīng)喪失了紫外光色素，但其后裔物種（如金絲雀和虎皮鸚鵡等）能借助于單一氨基酸的改變而重新獲得紫外光色素和紫外光的感知能力［2］；③分子遺傳學的分析和技術(shù)已使斑馬雀祖先物種的綠色視色素得到了重建［8］。

總的來說，上述一系列的工作不僅表明了分子遺傳學在動物行為研究中的重要作用，而且也表明了即使是一個涉及到求偶、交配、覓食、通訊和紫外光視覺等功能的復雜特性，也能源自于分子水平上的一個簡單變化。

2 鳥類是怎樣學會鳴叫的？

鳥類的鳴叫發(fā)聲具有很多生物學功能，如吸引潛在的配偶和驅(qū)趕領域的入侵者。分子遺傳學方法特別強調(diào)基因表達的作用?；虮磉_往住是環(huán)境或行為激發(fā)的結(jié)果，例如：研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，腦部Foxp2基因的表達既與鳥類對叫聲的感知有關(guān)，也與人類語言的獲得有關(guān)。

就基因表達與鳥類鳴叫之間的關(guān)系來說，斑馬雀已經(jīng)成為這方面研究的一個極好實例。在這一領域內(nèi)的早期研究往往是先讓斑馬雀聽別的鳥叫，然后再測定這些鳥腦中信使 RNA（即 mRNA）的含量［9－11］，mRNA是單鏈RNA，它對蛋白質(zhì)合成極為重要。Clayton及其同事［12］重點研究了前腦中被稱為新紋狀體（neustriatum）的mRNA水平，因為腦的這個部位與鳥類鳴叫格局的辨識和叫聲的識別有密切關(guān)系。研究人員發(fā)現(xiàn)：mRNA的水平是由一個叫zenk的基因決定的，當鳥兒聽到斑馬雀的叫聲之后，zenk基因就會有所增加，他們還發(fā)現(xiàn)，mRNA的水平同時還與新紋狀體中神經(jīng)元數(shù)量的增加有關(guān)。但目前尚不清楚的是，與zenk基因表達相關(guān)的mRNA水平的增加和神經(jīng)元的發(fā)育是如何與學習鳴叫相關(guān)聯(lián)的。借助mRNA產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能影響聽神經(jīng)元，而聽神經(jīng)元與鳴叫的識別相關(guān)聯(lián)。此外，還有不少證據(jù)表明：zenk基因可能是構(gòu)成一個復雜遺傳通路的一部分，這條通路將會導致神經(jīng)可塑性的形成，而神經(jīng)可塑性（neural plasticity）對鳥類學習鳴叫是極為重要的。

對斑馬雀的鳴叫行為來說，其他的研究也支持了上述關(guān)于zenk基因功能的說法：①讓斑馬雀聽另一種鳥（如金絲雀）的鳴叫，將會大大降低mRNA對其他種鳥叫的反應；②當將鳥置于無鳥叫的寂靜環(huán)境或只有蜂音器發(fā)出聲響的環(huán)境中時，zenk基因的表達就不會有所增加。

如果向斑馬雀反復播放同種鳥叫的錄音，那么它對此鳥叫聲所作出的反應強度就會降低，直到下降到第一次聽到叫聲之前的反應水平。當動物反復受到同樣一種刺激時，就會發(fā)生所謂的習慣化（habituation），習慣化是動物適應環(huán)境的一種最簡單的學習類型，就是當刺激連續(xù)或重復發(fā)生時，動物反應所發(fā)生的持久性衰減。廣義來說，習慣化就是動物學會對特定的刺激不發(fā)生反應，一只鳥必須學會在風搖樹葉時不害怕不飛走。麻雀起初會被安放在田間的稻草人嚇跑，但時間一長它們就不再害怕了，甚至會在吃飽之后停在稻草人的手臂上自鳴得意地梳理它們的羽毛。

在一系列巧妙安排的實驗中，Clayton等人（2004年）［12］研究了斑馬雀zenk基因表達與對熟悉鳥叫聲習慣化之間的關(guān)系，借助于這些實驗，他們不僅想知道基因表達如何受聽鳥叫的影響，而且想知道當鳥叫一再重復發(fā)生時基因表達會有怎樣的變化。為了研究習慣化與zenk基因表達之間的關(guān)系，Mello等人（2004年）［10］先讓斑馬雀聽同種個體的鳴叫并發(fā)現(xiàn)這會導致前腦mRNA和神經(jīng)元的增加，這一點在前面曾提到過［9］。一只鳥一旦對一個熟悉的鳥叫聲形成了習慣化，再播放一只新來斑馬雀的叫聲，結(jié)果會再次記錄到前腦mRNA和神經(jīng)元的增加。這些實驗結(jié)果表明：一只鳥在反復收聽到一種鳥叫并將之歸為它所熟悉的聲音之后，這種聲音就再也不會導致與zenk基因表達增強有關(guān)的分子遺傳學和神經(jīng)生物學方面的變化了。

動物行為學家和其他領域的科學家合作所取得的研究成果正在擴展和加深人們在分子遺傳學水平上對鳥類對鳴叫聲所作出反應的理解。當前分子遺傳學技術(shù)和方法在動物行為學中的應用已成為這一學科的新的增長點。

（2011年6月28日收到）

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