人類舞蹈病的基因緣何讓鳥兒不唱歌？

撰文 | 湯 波 （生物化學與分子生物學博士）

責編 | 陳曉雪

在寵物市場，模仿能力強、鳴叫聲悅耳動聽、外表漂亮的鳥兒總是很受歡迎，有歌聲婉轉動聽的畫眉鳥，有叫聲高亢明亮的夜鶯，有高貴漂亮的金絲雀，有羽色艷麗的黃鸝鳥，有象徵吉祥的喜鵲，也有擅長模仿的八哥，這些都是供人觀賞的寵物鳥。

除了寵物鳥，還有一些善於鳴唱的鳥兒，如來自澳洲的斑胸草雀等，由於某些與人類相似的特點，成為研究人類神經科學的一種重要模式動物，為科學的進步作出了巨大的貢獻。

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從鳴禽中脫穎而出的模式動物

全世界約有4000多種鳴禽，占鳥類總數的一半以上，它們都是屬於雀形目的鳥類。

鳴禽的發聲是鳴禽進行種群和個體識別、信息交流的重要行為，大部分鳴禽的鳴聲悅耳，但是一般雄鳥的鳴聲更加悅耳動聽，而且繁殖季節雄鳥的鳴聲最為婉轉、響亮，既是為了取悅雌鳥，同時也有嚇退競爭對手的作用。

鳴禽的鳴聲可以分為兩類，一類稱為鳴叫，是指一些短暫且簡單的發聲, 是對特定刺激的反應, 是由遺傳決定的，另一類稱為鳴囀或鳴唱，指的是鳴禽發出的婉轉動聽的歌聲，具有高度模式化和周期性, 必須後天通過模仿和學習獲得。

鳴禽學習鳴唱的過程與人類嬰兒的語言學習頗為相似，可以分為兩個階段，第一個階段為感覺學習期，幼鳥須反覆聽到成鳥的鳴唱，在大腦中形成鳴唱模板的記憶；第二個階段為感覺運動學習期，鳴禽通過聽覺反饋將自己發出的鳴唱與模板進行匹配，經過小範圍的調整，逐步建立穩定的鳴唱。

除了人類，鳴禽這種鳴唱學習的能力在自然界只有幾種動物掌握，包括大象、白鯨、海豚和蝙蝠等，而嚙齒類動物與人類親緣關係最近的其它靈長類動物均不具備這一本領。與人類語言學習一樣，鳴禽的鳴唱學習也涉及到複雜的神經反應，因此鳴禽已成為研究神經科學，甚至神經性疾病的重要模式動物。

斑胸草雀是鳴禽中常見的一種模式動物。它原產於澳大利亞東部、新幾內亞的熱帶森林，屬於雀形目梅花雀科的鳥類。由於棲息地遭到破壞等原因，野生的斑胸草雀已經難覓蹤跡，但是在世界很多國家的寵物市場都能買到人工養殖的斑胸草雀。同時，斑胸草雀繁殖快、飼養成本低，上世紀五六十年代開始，常被用於脊椎動物的腦、行為和演化研究的模型。

近年來，更是有科學家利用轉基因斑胸草雀來研究人類神經性疾病的發病機

理，以及與發聲學習相關基因的功能，展現出鳴禽在科學研究中的重要價值。

圖1 模式動物斑胸草雀 來源：pbs

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第一隻轉基因斑胸草雀

轉基因禽類的研究歷史相對較早，最早轉入外源基因的禽類是鵪鶉和家雞等家禽。這些轉基因禽類的研究始於20世紀80年代末，之後轉基因技術成為家禽育種和生物製藥研究的重要技術。2015年，轉基因雞生產的重組蛋白藥物更是獲得美國食品藥品監督管理局批准上市，成為少數幾種實現商品化的轉基因動物產品之一。

相對而言，其它鳥類的轉基因研究則開展較晚，直到2009年，美國洛克菲勒大學和麻省理工學院的科學家才首次在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上報道其成功建立轉基因鳴禽的製作方法。該研究的對象正是來自澳大利亞的斑胸草雀，而採用的轉基因方法則是在轉基因鵪鶉和雞上已相當成熟的技術——慢病毒載體法，不過做了一些重要的技術改進。研究人員將攜帶綠色熒光蛋白基因的自失活HIV慢病毒注射到鳥蛋的胚胎中，HIV慢病毒會感染胚胎中的生殖細胞，並將外源基因整合到生殖細胞的基因組中，最終獲得3隻能表達綠色熒光蛋白的轉基因斑胸草雀。這些轉基因斑胸草雀能正常繁殖後代，幼年雄性轉基因斑胸草雀也能正常模仿成年雄鳥的鳴唱，研究人員希望可以將這種轉基因斑胸草雀發展成為研究人類語言學習機制的動物模型。

圖2 第一隻轉基因斑胸草雀（右） 圖片來源：Proc Natl Acad Sci USA. 2009

2010年4月，一個由美國華盛頓大學牽頭，英國、德國等多國科學家參與的聯合研究小組宣布破譯了斑胸草雀的全基因組序列。他們發現800多個基因與斑胸草雀鳴唱學習記憶相關，當斑胸草雀學習鳴唱時，大腦中的這些基因會產生非常複雜的「網路反應」，最終幫它學會特有的「歌聲」。斑胸草雀基因組是繼2004年雞基因組測序完成之後第二個被測定的鳥類基因組，將有助於研究有神經功能、參與叫聲認知處理的基因，以及這些基因的進化。還有專家指出，基因組序列明晰的斑胸草雀能夠幫助人們了解人類的諸如孤獨症、中風、口吃、帕金森症等言語失常病症的病源。當然這些研究更多地需要藉助轉基因技術。

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這些鳥兒為什麼不能唱歌

很快，美國洛克菲勒大學動物行為實驗室的研究人員就研製出了一種鳴唱學習能力嚴重受損的轉基因斑胸草雀，而這次轉入的基因則是人突變型亨廷頓基因。

為什麼轉入人突變型亨廷頓基因呢？原來亨廷頓氏病（Huntington s disease）是歐美國家較為常見的一種遺傳疾病，主要表現為運動障礙和認知退化，也表現出口吃、錯誤發音、語言學習能力弱等障礙。亨廷頓氏病人之所以患病，主要因為其攜帶有突變型的亨廷頓基因，即該基因的第一個外顯子中有一些三聯核苷酸（CAG）重複。正常人群的CAG重複少於26個，自己和後代都不會得病，當某個人的CAG重複數為27-35個時，自己不得病，後代有較小的概率患病，但重複數等於或大於36個時，自身則會表現出癥狀，而且後代有50%的概率患病。亨廷頓基因突變後，其編碼的蛋白質含有過多的谷氨酸，引起大腦紋狀體和皮質區域的神經退行性變，是導致亨廷頓氏病的重要原因之一。

2015年11月，美國洛克菲勒大學的研究小組在《自然·神經科學》（Nature Neuroscience）首次報道了一種攜帶人突變型亨廷頓基因的斑胸草雀模型，不僅表現出與人亨廷頓氏病相似的一些典型癥狀，其鳴唱學習能力也嚴重下降。

研究人員同樣採用自失活慢病毒載體法，將人亨廷頓基因整合到斑胸草雀的基因組中，獲得了8隻轉基因斑胸草雀，其中5隻整合的人亨廷頓基因含有145個CAG重複，另外3隻則含有23個CAG重複。在兩年的實驗中，5隻攜帶突變型亨廷頓基因（145個CAG）的轉基因斑胸草雀生長性狀與非轉基因鳥沒有顯著差異，但是均表現出一定的身體顫抖，並偏好高蛋白食物，其中2隻成年突變型斑胸草雀在實驗後期還表現出嚴重的身體顫抖、重心不穩等典型亨廷頓氏病癥狀。為了驗證這些突變表型，該研究小組還製作了攜帶人突變型亨廷頓基因的轉基因金絲雀，也表現出運動障礙和認知退化，而且更嚴重。

值得注意的是，這些突變型雄性斑胸草雀的鳴唱學習能力嚴重受損，在孵出53天以後，處於感覺學習期的突變型雄性斑胸草雀只能模仿非轉基因成年雄鳥鳴唱聲的少數幾個音節，甚至什麼音節也學不會，而成年的轉基因雄鳥則不能按音節順序進行重複而穩定地鳴唱。進一步的研究表明，這些癥狀與亨廷頓氏病相關的神經病變和皮質基底神經節鳴唱迴路的失能有關。攜帶人突變型亨廷頓基因的斑胸草雀將為研究人類語言學習能力的機制提供一個不錯的動物模型，也有望為治療與皮質基底神經節相關的語言和運動障礙提供幫助。

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發現影響鳥兒鳴唱學習能力的基因

同一年，日本京都大學的科學家也培育出一種轉基因斑胸草雀，用於研究特定基因與鳴唱學習能力相關性。該轉基因斑胸草雀也是採用了慢病毒載體法，轉入了一個名叫CREB蛋白（cAMP反應元件結合蛋白）的基因突變體。CREB蛋白是一種研究得較為透徹的神經元基因轉錄調控因子，之前日本獨協大學的研究顯示，鳴禽CREB蛋白的激活與成年鳴禽對其它鳥鳴聲的辨別和回應相關，但是其在鳴禽的鳴叫學習或聽覺辨別中扮演什麼角色還不是很清楚。日本京都大學研究人員將突變型CREB蛋白基因轉入斑胸草雀早期胚胎，培育出一批健康的轉基因斑胸草雀，其表達的外源突變型CRFB蛋白能與內源CRFB蛋白組成二聚體，影響CRFB蛋白對相關基因轉錄的調控。研究人員共培育了兩種轉基因草雀，第一種的外源CREB蛋白第119個氨基酸由絲氨酸變成丙氨酸，表達磷酸化修飾缺乏型CREB蛋白，導致其介導的基因轉錄水平顯著降低，第二組外源CREB蛋白第120個氨基酸由酪氨酸變成苯丙氨酸，CREB蛋白表達過量，導致其介導的基因轉錄水平顯著提高。

為了測試轉基因斑胸草雀的聽覺記憶構建能力，研究人員專門設計了一個有趣的測試方法，將每隻轉基因斑胸草雀單獨關在一個隔音室內，用錄音機從與轉基因草雀沒有親緣關係的普通班胸草雀錄下5段不同鳴唱曲，通過揚聲器隨機播放給轉基因草雀和對照的非轉基因草雀，並在第1段特定鳴唱曲之後，加入了烏鴉的鳴叫聲，安靜片刻後馬上播放其它4段草雀的鳴唱曲。結果非轉基因草雀在聽到烏鴉叫聲後，會表現出一種僵住的條件反射，似乎識別出該叫聲並非其同伴的鳴唱聲，到第四次訓練，對照組開始減少模仿烏鴉鳴叫聲，第二天也能保持這些記憶，而上述兩種轉基因草雀則不能識別烏鴉鳴叫聲，只是CREB蛋白過量表達的轉基因草雀在最後一次，也就是第八次訓練中表現出僵住的條件反射。

同時，研究人員也對轉基因幼鳥的鳴唱學習能力進行了測試，以一隻成年雄性斑胸草雀為鳴唱教練，通過觀察轉基因草雀和非轉基因草雀模仿發出的鳴唱聲與教練的鳴唱聲相似度差異，來判斷轉基因是否影響幼鳥的鳴唱學習。結果顯示，表達磷酸化修飾缺乏型CREB蛋白的轉基因草雀鳴唱相似度明顯低於對照組，而CREB蛋白過量表達的轉基因草雀鳴唱相似度則與對照組相當，而且隨著年齡增長，後者和對照組的鳴唱聲與模仿對象的鳴唱聲相似度還會逐漸提高。以上結果表明，正常的CREB蛋白活性對於鳴禽的鳴唱學習能力獲得至關重要。

目前，對轉基因斑胸草雀的研究還處於起步階段，還需進一步深入開展研究，未來也可能出現更多的轉基因鳥類，鳴禽鳴唱學習行為的神經學分子機制必將更加清晰，轉基因鳥類也將為研究人類語言學習的神經學機制、相關神經性疾病的發病機理和治療良方發揮重要作用。

作者簡介

湯波，畢業於中國農業大學，獲得生物化學與分子生物學博士，工作後獲高級畜牧師職稱，主要從事動物生物技術研究，在科普方面主要關注生物技術前沿研究和應用進展。

參考文獻：

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3.Abe K,Matsui S,and Watanabe D. Transgenic songbirds with suppressed or enhanced activity of CREB transcription factor.Proc Natl Acad Sci USA. 112,7599-7604(2015).

4.Wan-chun Liu,Jessica Kohn,Sarah K Szwed,Eben Pariser,Sharon Sepe,Bhagwattie Haripal,Naoki Oshimori,Martin Marsala,Atsushi Miyanohara& Ramee Lee. Human mutant huntingtin disrupts vocal learning in transgenic songbirds.Nature Neuroscience. 18,1617–1622(2015).

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