人类舞蹈病的基因缘何让鸟儿不唱歌?

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  文章来源:知识分子微信公众号

  在宠物市场,模仿能力强、鸣叫声悦耳动听、外表漂亮的鸟儿总是很受欢迎,有歌声婉转动听的画眉鸟,有叫声高亢明亮的夜莺,有高贵漂亮的金丝雀,有羽色艳丽的黄鹂鸟,有象征吉祥的喜鹊,也有擅长模仿的八哥,这些都是供人观赏的宠物鸟。

  除了宠物鸟,还有一些善于鸣唱的鸟儿,如来自澳洲的斑胸草雀等,由于某些与人类相似的特点,成为研究人类神经科学的一种重要模式动物,为科学的进步作出了巨大的贡献。

  1、从鸣禽中脱颖而出的模式动物

  全世界约有4000多种鸣禽,占鸟类总数的一半以上,它们都是属于雀形目的鸟类。

  鸣禽的发声是鸣禽进行种群和个体识别、信息交流的重要行为,大部分鸣禽的鸣声悦耳,但是一般雄鸟的鸣声更加悦耳动听,而且繁殖季节雄鸟的鸣声最为婉转、响亮,既是为了取悦雌鸟,同时也有吓退竞争对手的作用。

  鸣禽的鸣声可以分为两类,一类称为鸣叫,是指一些短暂且简单的发声, 是对特定刺激的反应, 是由遗传决定的,另一类称为鸣啭或鸣唱,指的是鸣禽发出的婉转动听的歌声,具有高度模式化和周期性, 必须后天通过模仿和学习获得。

  鸣禽学习鸣唱的过程与人类婴儿的语言学习颇为相似,可以分为两个阶段,第一个阶段为感觉学习期,幼鸟须反复听到成鸟的鸣唱,在大脑中形成鸣唱模板的记忆;第二个阶段为感觉运动学习期,鸣禽通过听觉反馈将自己发出的鸣唱与模板进行匹配,经过小范围的调整,逐步建立稳定的鸣唱。

  除了人类,鸣禽这种鸣唱学习的能力在自然界只有几种动物掌握,包括大象、白鲸、海豚和蝙蝠等,而啮齿类动物与人类亲缘关系最近的其它灵长类动物均不具备这一本领。与人类语言学习一样,鸣禽的鸣唱学习也涉及到复杂的神经反应,因此鸣禽已成为研究神经科学,甚至神经性疾病的重要模式动物。

  斑胸草雀是鸣禽中常见的一种模式动物。它原产于澳大利亚东部、新几内亚的热带森林,属于雀形目梅花雀科的鸟类。由于栖息地遭到破坏等原因,野生的斑胸草雀已经难觅踪迹,但是在世界很多国家的宠物市场都能买到人工养殖的斑胸草雀。同时,斑胸草雀繁殖快、饲养成本低,上世纪五六十年代开始,常被用于脊椎动物的脑、行为和演化研究的模型。

  近年来,更是有科学家利用转基因斑胸草雀来研究人类神经性疾病的发病机理,以及与发声学习相关基因的功能,展现出鸣禽在科学研究中的重要价值。

图1 模式动物斑胸草雀  来源:pbs图1 模式动物斑胸草雀 来源:pbs

  2、第一只转基因斑胸草雀

  转基因禽类的研究历史相对较早,最早转入外源基因的禽类是鹌鹑和家鸡等家禽。这些转基因禽类的研究始于20世纪80年代末,之后转基因技术成为家禽育种和生物制药研究的重要技术。2015年,转基因鸡生产的重组蛋白药物更是获得美国食品药品监督管理局批准上市,成为少数几种实现商品化的转基因动物产品之一。

图2 第一只转基因斑胸草雀(右) 图片来源:Proc Natl Acad Sci USA. 2009图2 第一只转基因斑胸草雀(右) 图片来源:Proc Natl Acad Sci USA。 2009

  相对而言,其它鸟类的转基因研究则开展较晚,直到2009年,美国洛克菲勒大学和麻省理工学院的科学家才首次在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上报道其成功建立转基因鸣禽的制作方法。该研究的对象正是来自澳大利亚的斑胸草雀,而采用的转基因方法则是在转基因鹌鹑和鸡上已相当成熟的技术——慢病毒载体法,不过做了一些重要的技术改进。研究人员将携带绿色荧光蛋白基因的自失活HIV慢病毒注射到鸟蛋的胚胎中,HIV慢病毒会感染胚胎中的生殖细胞,并将外源基因整合到生殖细胞的基因组中,最终获得3只能表达绿色荧光蛋白的转基因斑胸草雀。这些转基因斑胸草雀能正常繁殖后代,幼年雄性转基因斑胸草雀也能正常模仿成年雄鸟的鸣唱,研究人员希望可以将这种转基因斑胸草雀发展成为研究人类语言学习机制的动物模型。

  2010年4月,一个由美国华盛顿大学牵头,英国、德国等多国科学家参与的联合研究小组宣布破译了斑胸草雀的全基因组序列。他们发现800多个基因与斑胸草雀鸣唱学习记忆相关,当斑胸草雀学习鸣唱时,大脑中的这些基因会产生非常复杂的“网络反应”,最终帮它学会特有的“歌声”。斑胸草雀基因组是继2004年鸡基因组测序完成之后第二个被测定的鸟类基因组,将有助于研究有神经功能、参与叫声认知处理的基因,以及这些基因的进化。还有专家指出,基因组序列明晰的斑胸草雀能够帮助人们了解人类的诸如孤独症、中风、口吃、帕金森症等言语失常病症的病源。当然这些研究更多地需要借助转基因技术。

  3、这些鸟儿为什么不能唱歌

  很快,美国洛克菲勒大学动物行为实验室的研究人员就研制出了一种鸣唱学习能力严重受损的转基因斑胸草雀,而这次转入的基因则是人突变型亨廷顿基因。

  为什么转入人突变型亨廷顿基因呢?原来亨廷顿氏病(Huntington‘s disease)是欧美国家较为常见的一种遗传疾病,主要表现为运动障碍和认知退化,也表现出口吃、错误发音、语言学习能力弱等障碍。亨廷顿氏病人之所以患病,主要因为其携带有突变型的亨廷顿基因,即该基因的第一个外显子中有一些三联核苷酸(CAG)重复。正常人群的CAG重复少于26个,自己和后代都不会得病,当某个人的CAG重复数为27-35个时,自己不得病,后代有较小的概率患病,但重复数等于或大于36个时,自身则会表现出症状,而且后代有50%的概率患病。亨廷顿基因突变后,其编码的蛋白质含有过多的谷氨酸,引起大脑纹状体和皮质区域的神经退行性变,是导致亨廷顿氏病的重要原因之一。

  2015年11月,美国洛克菲勒大学的研究小组在《自然·神经科学》(Nature Neuroscience)首次报道了一种携带人突变型亨廷顿基因的斑胸草雀模型,不仅表现出与人亨廷顿氏病相似的一些典型症状,其鸣唱学习能力也严重下降。

  研究人员同样采用自失活慢病毒载体法,将人亨廷顿基因整合到斑胸草雀的基因组中,获得了8只转基因斑胸草雀,其中5只整合的人亨廷顿基因含有145个CAG重复,另外3只则含有23个CAG重复。在两年的实验中,5只携带突变型亨廷顿基因(145个CAG)的转基因斑胸草雀生长性状与非转基因鸟没有显著差异,但是均表现出一定的身体颤抖,并偏好高蛋白食物,其中2只成年突变型斑胸草雀在实验后期还表现出严重的身体颤抖、重心不稳等典型亨廷顿氏病症状。为了验证这些突变表型,该研究小组还制作了携带人突变型亨廷顿基因的转基因金丝雀,也表现出运动障碍和认知退化,而且更严重。

  值得注意的是,这些突变型雄性斑胸草雀的鸣唱学习能力严重受损,在孵出53天以后,处于感觉学习期的突变型雄性斑胸草雀只能模仿非转基因成年雄鸟鸣唱声的少数几个音节,甚至什么音节也学不会,而成年的转基因雄鸟则不能按音节顺序进行重复而稳定地鸣唱。进一步的研究表明,这些症状与亨廷顿氏病相关的神经病变和皮质基底神经节鸣唱回路的失能有关。携带人突变型亨廷顿基因的斑胸草雀将为研究人类语言学习能力的机制提供一个不错的动物模型,也有望为治疗与皮质基底神经节相关的语言和运动障碍提供帮助。

  4、发现影响鸟儿鸣唱学习能力的基因

  同一年,日本京都大学的科学家也培育出一种转基因斑胸草雀,用于研究特定基因与鸣唱学习能力相关性。该转基因斑胸草雀也是采用了慢病毒载体法,转入了一个名叫CREB蛋白(cAMP反应元件结合蛋白)的基因突变体。CREB蛋白是一种研究得较为透彻的神经元基因转录调控因子,之前日本独协大学的研究显示,鸣禽CREB蛋白的激活与成年鸣禽对其它鸟鸣声的辨别和回应相关,但是其在鸣禽的鸣叫学习或听觉辨别中扮演什么角色还不是很清楚。日本京都大学研究人员将突变型CREB蛋白基因转入斑胸草雀早期胚胎,培育出一批健康的转基因斑胸草雀,其表达的外源突变型CRFB蛋白能与内源CRFB蛋白组成二聚体,影响CRFB蛋白对相关基因转录的调控。研究人员共培育了两种转基因草雀,第一种的外源CREB蛋白第119个氨基酸由丝氨酸变成丙氨酸,表达磷酸化修饰缺乏型CREB蛋白,导致其介导的基因转录水平显著降低,第二组外源CREB蛋白第120个氨基酸由酪氨酸变成苯丙氨酸,CREB蛋白表达过量,导致其介导的基因转录水平显著提高。

  为了测试转基因斑胸草雀的听觉记忆构建能力,研究人员专门设计了一个有趣的测试方法,将每只转基因斑胸草雀单独关在一个隔音室内,用录音机从与转基因草雀没有亲缘关系的普通班胸草雀录下5段不同鸣唱曲,通过扬声器随机播放给转基因草雀和对照的非转基因草雀,并在第1段特定鸣唱曲之后,加入了乌鸦的鸣叫声,安静片刻后马上播放其它4段草雀的鸣唱曲。结果非转基因草雀在听到乌鸦叫声后,会表现出一种僵住的条件反射,似乎识别出该叫声并非其同伴的鸣唱声,到第四次训练,对照组开始减少模仿乌鸦鸣叫声,第二天也能保持这些记忆,而上述两种转基因草雀则不能识别乌鸦鸣叫声,只是CREB蛋白过量表达的转基因草雀在最后一次,也就是第八次训练中表现出僵住的条件反射。

  同时,研究人员也对转基因幼鸟的鸣唱学习能力进行了测试,以一只成年雄性斑胸草雀为鸣唱教练,通过观察转基因草雀和非转基因草雀模仿发出的鸣唱声与教练的鸣唱声相似度差异,来判断转基因是否影响幼鸟的鸣唱学习。结果显示,表达磷酸化修饰缺乏型CREB蛋白的转基因草雀鸣唱相似度明显低于对照组,而CREB蛋白过量表达的转基因草雀鸣唱相似度则与对照组相当,而且随着年龄增长,后者和对照组的鸣唱声与模仿对象的鸣唱声相似度还会逐渐提高。以上结果表明,正常的CREB蛋白活性对于鸣禽的鸣唱学习能力获得至关重要。

  目前,对转基因斑胸草雀的研究还处于起步阶段,还需进一步深入开展研究,未来也可能出现更多的转基因鸟类,鸣禽鸣唱学习行为的神经学分子机制必将更加清晰,转基因鸟类也将为研究人类语言学习的神经学机制、相关神经性疾病的发病机理和治疗良方发挥重要作用。

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