「唱歌」學得好不好？基因說了算

論文標題：The constitutive differential transcriptome of a brain circuit for vocal learning

作者：Peter V. Lovell, Nicole A. Huizinga, Samantha R. Friedrich, Morgan Wirthlin and Claudio V. Mello

數字識別碼：10.1186/s12864-018-4578-0

聲樂學習，即模仿他人發聲的能力，是人類口語習得的基礎。它是一種相對罕見的特性，目前認為是從少數哺乳動物群（如鯨目動物、蝙蝠）和三種鳥類（蜂鳥、鸚鵡、鳴禽）中進化而來的。

近期發表在BMC Genomics上的一項研究揭示了斑胸草雀（Taeniopygia guttata）腦核的鳴聲控制系統基因差異化的表達及其與聲音模仿能力的關聯。

斑胸草雀（也常被稱為珍珠鳥或斑馬雀）是典型的鳴禽物種，對斑胸草雀進行最深入的研究發現：習得、記憶和產生聲音需要一組專門腦核的協調活動，這些腦核統稱為聲音控制系統。幾十年的深入研究揭示了在聲樂學習和歌曲創作的背景下，這些腦核（統稱為鳴聲控制系統）的組織、連接和生理特性。

斑胸草雀，Taeniopygia guttata。

斑胸草雀的鳴聲控制系統是由成兩個截然不同但相互連接的通路所構成的，包括直接聲動通路(DMP；圖1：黑核和投影，)這是歌曲的產生所必需的，和前腦通路(AFP；圖1：白核和投影)，它們是產生歌曲和實現成年人的發聲可塑性所必需的。在成年人中，損害DMP的腦核會導致歌唱中斷，而微刺激可根據被刺激的大腦水平誘發呼叫或歌唱。在歌曲學習期間，對這些腦核的損傷會阻止成人對歌曲的學習。

圖2. 斑胸草雀聲樂學習和歌唱的主要大腦區域（本文中分析的區域用紅色標出）

之前已經有研究揭示了在這些發聲腦核中部分表達的基因，但是仍然缺少對這個系統的轉錄特徵的全面描述。為了彌補這方面的空缺，來自Oregon Health and Sciences University的研究團隊對斑胸草雀聲樂控制系統中DMP的組分（即HVC，RA和nXIIts）以及AFP的X區域進行了徹底的轉錄組學分析，並與成年雄性中相鄰腦區的基因表達進行對比。鑒定出了斑胸草雀腦核中組成型表達的生物標記物。

圖3. 受到HVC，RA，nXIIts和X區差異化調節的生物標記物基因數目的韋恩圖

研究人員分析了之前用於識別唱歌調節基因的微陣列數據（www.zebrafinchatlas.org）、鳥類和人類中發聲腦核的特異性以及HVC的分子特徵。此外，還分析了380個基因的原位雜交數據，這不僅極大地擴展了分析的範圍，而且使研究者有機會評估未經微陣列分析的腦核的表達情況。重要的是，與以往研究的不同之處在於，本文章的研究者專註於識別在安靜，非唱歌的鳥類的歌曲系統中組成型表達基因的情況，從而排除了歌唱誘導表達帶來的混淆。同時還對微陣列進行了嚴格和廣泛的注釋工作，並使用原位雜交模式獨立地建立每個腦核中差異表達的高置信度截止值，分析未通過微陣列分析的腦核中的表達情況。同時還對與聲音系統的發育和生理學相關的特定基因家族進行了深入的分析，包括檢查未在微陣列上取樣的許多高度相關基因的原位雜交模式。在成年雄性鳥類中，研究人員最終確定了超過3300個基因，與相鄰腦區的情況不同，這些基因在一個或多個聲樂腦核中受到了差異化地調控。

此外，研究者還通過生物信息學分析揭示了這些基因可能參與分子通路調控的機制：如細胞形態發生，內在細胞興奮性，神經傳遞和神經調節，軸突介導和細胞間相互作用以及細胞存活等等。這些發現對現有脊椎動物中涉及到促進聲樂學習行為腦迴路的生物標記物進行了詳細的闡述，並且對大腦聲音控制迴路中可能起作用的的功能性分子提供了新的見解。

摘要：

Background

The ability to imitate the vocalizations of other organisms, a trait known as vocal learning, is shared by only a few organisms, including humans, where it subserves the acquisition of speech and language, and 3 groups of birds. In songbirds, vocal learning requires the coordinated activity of a set of specialized brain nuclei referred to as the song control system. Recent efforts have revealed some of the genes that are expressed in these vocal nuclei, however a thorough characterization of the transcriptional specializations of this system is still missing. We conducted a rigorous and comprehensive analysis of microarrays, and conducted a separate analysis of 380 genes by in situ hybridizations in order to identify molecular specializations of the major nuclei of the song system of zebra finches (Taeniopygia guttata), a songbird species.

Results

Our efforts identified more than 3300 genes that are differentially regulated in one or more vocal nuclei of adult male birds compared to the adjacent brain regions. Bioinformatics analyses provided insights into the possible involvement of these genes in molecular pathways such as cellular morphogenesis, intrinsic cellular excitability, neurotransmission and neuromodulation, axonal guidance and cela-to-cell interactions, and cell survival, which are known to strongly influence the functional properties of the song system. Moreover, an in-depth analysis of specific gene families with known involvement in regulating the development and physiological properties of neuronal circuits provides further insights into possible modulators of the song system.

Conclusion

Our study represents one of the most comprehensive molecular characterizations of a brain circuit that evolved to facilitate a learned behavior in a vertebrate. The data provide novel insights into possible molecular determinants of the functional properties of the song control circuitry. It also provides lists of compelling targets for pharmacological and genetic manipulations to elucidate the molecular regulation of song behavior and vocal learning.

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期刊介紹:

BMC Genomics(https://bmcgenomics.biomedcentral.com/, 3.730 -2-year Impact Factor,4.257 -5-year Impact Factor) is an open access, peer-reviewed journal that considers articles on all aspects of genome-scale analysis, functional genomics, and proteomics.

（來源：BMC Genomics）

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