动物行为研究的新进展（二）：分子遗传学与动物行为

尚玉昌

教授，北京大学生命科学学院，北京 100871

分子遗传学与动物行为有着密切关系，它不仅可用于检验动物行为学中的各种假说，而且也可用基因直接解读动物行为的很多特征。有些行为是由单一基因决定的，有些行为是由两个基因决定的，而大多数行为是由3个或更多基因决定的。如果发现X基因的某个变体是与Y行为的一个变体相关联的，那么就可以确定这个基因与这一行为间存在着直接和近期的关系。目前在全球范围内的几百个实验室内正在进行大规模的基因鉴定工作，以确定是哪些基因在决定着动物行为的特征。在这一领域从事研究的科学家还不断探讨并试图搞清动物行为特征的分子遗传学基础。本文以两个研究实例详细说明在这一领域的研究方法、研究现状和研究进展。

当前正在蓬勃发展的一个生物学领域是分子遗传学，现已有越来越多的研究成果表明：分子遗传学与动物行为有着密切的关系。分子遗传学不仅可用于检验动物行为学中的各种假说，而且也可用基因直接解读动物的很多行为特征。有些行为是由单一的一个基因决定的，如小杆线虫（Rhabditis inerims）。如果让小杆线虫的两个亚种进行杂交，而且其中只有一个亚种身体前端能做波浪式运动（图1）。结果第一代线虫全都能做波浪形运动，但到了由这些杂种产生的下一代（F2），便产生了两种行为型的线虫：能做波浪形运动的和不能做波浪形运动的，而且两者的比例是3∶1。这说明，做波浪形运动这一行为特征是一种显性特征，而且是受单一基因支配的。有些行为是由两个基因共同决定的，如蜜蜂的亲代抚育行为。这里所说的亲代抚育行为是指工蜂把死于蜂室中的幼虫叼走这一行为。卫生蜂品系能够咬破蜂室的蜡盖并能把死幼虫叼走，而非卫生蜂品系缺乏这种行为。当两个品系的蜜蜂杂交时，其杂交后代（F1）全都是非卫生蜂。但当F1世代与亲本卫生蜂品系回交时，便会产生四种不同行为型的个体，除了卫生蜂和非卫生蜂外，又出现了两个在正常情况下不会见到的行为型，一个是可以咬破蜡盖但不把幼虫叼走，另一个是不会咬开蜡盖，但如果蜡盖被人打开，它能把死幼虫叼走。这四种行为型的发生频率大体相等，这表明：咬开蜡盖和叼走幼虫的行为分别是由两个基因控制的，而这两个基因都是隐性的，换句话说，非卫生行为是显性的。因此只有两对等位基因都是隐性的时候才会表现出完全的卫生行为（既能咬开蜡盖又能叼走幼虫）（图2）。但动物的大多数行为都是由3个或更多基因决定的。

如果在研究中发现X基因的某个变体是与Y行为的一个变体相关联的，那么我们就可以确定这个基因与这一行为之间是存在着直接和近期的关系。目前在全球范围内的几百个实验室内正在从事大规模的基因鉴定工作，以确定是哪些基因在决定着动物行为的特征。在这一领域从事研究的科学家还不断探讨并试图搞清动物很多行为特征的分子遗传学基础。下面我们就以两个实例来说明在这一领域的一些研究现状和研究进展。

图1 某些小杆线虫身体前端可做波浪形运动，使身体抬升到基底之上

图2 卫生蜂和非卫生蜂杂交的基因型分析

1 鸟类的紫外光视觉——斑马雀为什么能感受并看到紫外光？

现已查明，发生在分子遗传学水平上的一个单一变化便能对动物的重要行为特征产生明显的影响。就动物的紫外光视觉来说，很多动物都能感受和看到紫外光（人不能），如很多鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物，甚至很多昆虫也能看到紫外光［1－3］。脊椎动物的紫外光视觉是由视网膜色素决定的，这种视觉常被用于动物的求偶、觅食、狩猎和发送社会信号等活动［4］。例如：雌斑马雀可依据紫外光的波长选择自己中意的配偶，但遗憾的是，直到现在我们还不清楚紫外光视觉的近期机制是什么，为什么有些动物能利用紫外光进行狩猎、发信号和吸引配偶，另一些动物则不能。

Yokoyama及其同事（2000年）［5－6］利用分子遗传学克隆技术研究了斑马雀（Taeniopygia guttata）的紫外光视觉，在自然情况下，斑马雀能看到紫外光，但借助于改变一个氨基酸就能把紫外光色素（能使鸟类看到紫外光的色素）转变为紫色素（使鸟类看不到紫外光的色素），可见这个氨基酸是多么重要。只要它一发生变化，斑马雀就再也看不到紫外光了，此时它看到的只是紫色光。

更为有趣和引人注目的是Yokoyama及其同事［5－6］还利用鸡和鸽子进行了反向实验，这两种鸟都不具有紫外光色素［7］，因而在正常情况下是看不见紫外光的，但同样是借助于改变一个氨基酸并利用一些与斑马雀极为相似的DNA片断，就能使鸡和鸽子由紫色素转变为紫外光色素。由于氨基酸的这一变化使原来不能看到紫外光的鸡和鸽子现在都看到了紫外光。

此后又有大量的研究工作进一步阐明了动物紫外光视觉的分子遗传学基础，例如：①现已有证据表明，很多无脊椎动物（如果蝇）的紫外线视觉也具有同样的分子遗传学机理，即也是与单个氨基酸的改变相关联的［1］；②有些鸟类虽然其祖先物种已经丧失了紫外光色素，但其后裔物种（如金丝雀和虎皮鹦鹉等）能借助于单一氨基酸的改变而重新获得紫外光色素和紫外光的感知能力［2］；③分子遗传学的分析和技术已使斑马雀祖先物种的绿色视色素得到了重建［8］。

总的来说，上述一系列的工作不仅表明了分子遗传学在动物行为研究中的重要作用，而且也表明了即使是一个涉及到求偶、交配、觅食、通讯和紫外光视觉等功能的复杂特性，也能源自于分子水平上的一个简单变化。

2 鸟类是怎样学会鸣叫的？

鸟类的鸣叫发声具有很多生物学功能，如吸引潜在的配偶和驱赶领域的入侵者。分子遗传学方法特别强调基因表达的作用。基因表达往住是环境或行为激发的结果，例如：研究人员已经发现，脑部Foxp2基因的表达既与鸟类对叫声的感知有关，也与人类语言的获得有关。

就基因表达与鸟类鸣叫之间的关系来说，斑马雀已经成为这方面研究的一个极好实例。在这一领域内的早期研究往往是先让斑马雀听别的鸟叫，然后再测定这些鸟脑中信使 RNA（即 mRNA）的含量［9－11］，mRNA是单链RNA，它对蛋白质合成极为重要。Clayton及其同事［12］重点研究了前脑中被称为新纹状体（neustriatum）的mRNA水平，因为脑的这个部位与鸟类鸣叫格局的辨识和叫声的识别有密切关系。研究人员发现：mRNA的水平是由一个叫zenk的基因决定的，当鸟儿听到斑马雀的叫声之后，zenk基因就会有所增加，他们还发现，mRNA的水平同时还与新纹状体中神经元数量的增加有关。但目前尚不清楚的是，与zenk基因表达相关的mRNA水平的增加和神经元的发育是如何与学习鸣叫相关联的。借助mRNA产生的蛋白质可能影响听神经元，而听神经元与鸣叫的识别相关联。此外，还有不少证据表明：zenk基因可能是构成一个复杂遗传通路的一部分，这条通路将会导致神经可塑性的形成，而神经可塑性（neural plasticity）对鸟类学习鸣叫是极为重要的。

对斑马雀的鸣叫行为来说，其他的研究也支持了上述关于zenk基因功能的说法：①让斑马雀听另一种鸟（如金丝雀）的鸣叫，将会大大降低mRNA对其他种鸟叫的反应；②当将鸟置于无鸟叫的寂静环境或只有蜂音器发出声响的环境中时，zenk基因的表达就不会有所增加。

如果向斑马雀反复播放同种鸟叫的录音，那么它对此鸟叫声所作出的反应强度就会降低，直到下降到第一次听到叫声之前的反应水平。当动物反复受到同样一种刺激时，就会发生所谓的习惯化（habituation），习惯化是动物适应环境的一种最简单的学习类型，就是当刺激连续或重复发生时，动物反应所发生的持久性衰减。广义来说，习惯化就是动物学会对特定的刺激不发生反应，一只鸟必须学会在风摇树叶时不害怕不飞走。麻雀起初会被安放在田间的稻草人吓跑，但时间一长它们就不再害怕了，甚至会在吃饱之后停在稻草人的手臂上自鸣得意地梳理它们的羽毛。

在一系列巧妙安排的实验中，Clayton等人（2004年）［12］研究了斑马雀zenk基因表达与对熟悉鸟叫声习惯化之间的关系，借助于这些实验，他们不仅想知道基因表达如何受听鸟叫的影响，而且想知道当鸟叫一再重复发生时基因表达会有怎样的变化。为了研究习惯化与zenk基因表达之间的关系，Mello等人（2004年）［10］先让斑马雀听同种个体的鸣叫并发现这会导致前脑mRNA和神经元的增加，这一点在前面曾提到过［9］。一只鸟一旦对一个熟悉的鸟叫声形成了习惯化，再播放一只新来斑马雀的叫声，结果会再次记录到前脑mRNA和神经元的增加。这些实验结果表明：一只鸟在反复收听到一种鸟叫并将之归为它所熟悉的声音之后，这种声音就再也不会导致与zenk基因表达增强有关的分子遗传学和神经生物学方面的变化了。

动物行为学家和其他领域的科学家合作所取得的研究成果正在扩展和加深人们在分子遗传学水平上对鸟类对鸣叫声所作出反应的理解。当前分子遗传学技术和方法在动物行为学中的应用已成为这一学科的新的增长点。

（2011年6月28日收到）

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