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神奇的语言基因——FoxP2 精选

已有 6481 次阅读 2020-12-9 15:56 |系统分类:观点评述

一、FoxP2基因的发现

20世纪90年代,牛津大学威康信托人类遗传学中心及伦敦儿童健康研究所的科学家对一个患有罕见遗传病的家族中的三代人进行了研究,这个家族被研究者称作“KE家族”。该家族的24名成员中,约半数无法自主控制嘴唇和舌头的运动,发音和说话极其困难。他们的话很难听懂,他们自已也不能理解别人说话。他们还存在阅读理解障碍,不能正确拼写词语,难以组织好句子,弄不懂语法规则,因而很难理解别人说话和进行阅读。该家族三代人中存在的语言缺陷使科学家们相信,一定是他们身体中的某个基因出了问题。

1998年,英国剑桥大学的遗传学家试图通过分析KE家庭成员的基因组来找出这个残缺的基因。他们的方法是寻找一段患者们共有的而健康成员所没有的DNA段落。剑桥团队很快把病因缩小到人类23个染色体的第七号。后来证实,这是由于第七号染色体FoxP2基因发生了单核苷酸突变或染色体之间基因移位突变,并且呈显性遗传。于是,FoxP2基因有了一个名副其实的称呼——语言基因。FOX基因是一个基因家族,由于与克隆的果蝇叉头基因具有高度相似的DNA结合区,因而又把它们称为叉头框基因,或称叉头基因。它编码的蛋白就称为叉头框蛋白。

、FoxP2基因存在于不同动物

FoxP2基因并非人类所特有,其它哺乳动物包括黑猩猩,小鼠和蝙蝠也存在。科学家们进一步研究了语言基因FoxP2在不同物种中的表现,并进一步论证语言与人类文明发展的关系。小鼠和其它动物的FoxP2缺少关键的变异,而这些关键变异只发现于人类和人类进化过程的近亲尼安德特人身上。一些研究人员推断说这些关键的变异导致了只有人类能够通过复杂语言进行交流,而动物只能发出吼叫声或者鸣叫声。

美国麻省理工学院的研究人员报告说,他们首先培育出具有人类版本FoxP2的小鼠,然后让它们走T字迷宫寻找巧克力。一开始,培训小鼠进行有意识的学习,如平滑地面左转,粗糙地面右转等,小鼠做对了能得到奖赏,这种学习被称为叙述学习。经过长时间培训后,小鼠把这些记忆形成了无意识的习惯,这被称为程序学习。

人类近亲黑猩猩也有这种基因,但自600万年前人类支系与黑猩猩分离后,人类版本的FoxP2基因有两处发生了黑猩猩所没有的关键突变。黑猩猩和大猩猩有同样版本的基因,这也一定与500万年前人和黑猩猩共同祖先的一样。但自从人和黑猩猩分道扬镳后,它的演化突然加剧。人的FoxP2与黑猩猩的相比有两个蛋白质不同,表明它受到了很大的选择压力,这一定和语言的进化有关。所有人类都有同样的FoxP2,说明这个基因非常重要。考古学家认为FoxP2也许是完成语言功能的最后基因之一,尼安德特人具有现代人类语言基因,这也许是现代人类语言发展的最后一步。从两个在西班牙北部洞穴中找到的已经有43000年历史的尼安德特人骨头中提取DNA。遗传分析发现尼安德特人的FoxP2基因序列与现代人的序列匹配。它具有两个能区分人类与其它动物的变异。它可能使得语言变得完善。语言也许促使了人类在5万年前的行为改变。当每一个基因变异发生时,如果它提供某种改善语言的能力,它的携带者就会留下更多的后代。当FoxP2基因席卷整个古人类时,现代语言的能力应运而生。

后来发现,FoxP2基因在鸣禽的大脑中也有表达,例如燕雀和金丝雀,这将使人们更好地了解它在人类语言交流中扮演的角色。鸟类和哺乳类动物都源于爬行类共同祖先。鸣禽与人类分别处于鸟类和哺乳类动物进化的顶级,而鸟类的鸣唱是自然界唯一可以与人类语言相媲美的。科学家们在各发育阶段检查鸟脑中FoxP2的表达水平,发现其在各脑区的分布表达与人胚胎脑一致。而鸣禽斑胸草雀与人类的FoxP2的DNA结合区氨基酸序列完全一致。这种高度的保守性提示它们发挥相同的作用,从而从基因水平上将鸟鸣与人类语言联系起来。由于鸣禽与人类具有相似的语言功能,研究鸟鸣对揭示人类语言机理具有重要的借鉴意义。

三、 FoxP2在鸟脑鸣唱系统X区的表达

鸣禽的鸣唱系统有两条主要的通路:一条是发声运动通路(VMP):HVC(高级发声中枢)→RA(弓状皮质栎核)→nXⅡts(舌下神经气管鸣管亚核),与人类皮层-脑干运动通路是同源的;另一条是前端脑通路(AFP):HVC(高级发声中枢)→Area X(X区)→DLM(丘脑背外侧核内侧部)→LMAN(新纹状体巨细胞核外侧部)→RA(弓状皮质栎核),此通路参与鸣唱学习。AFP与人类皮层—基底神经节—丘脑—皮层回路同源(图1)。AFP中的X区是鸣曲学习所必需的特殊区域,它与哺乳动物脑中的基底神经节在进化上是同源的。“KE家族”病人正是由于基底神经节结构变异导致,说明基底神经节在鸣禽习鸣和人类语言学习中都发挥重要作用。

鸣禽鸣啭的发育历经三个阶段,分别为亚鸣啭期(模仿),塑性鸣啭期(鸣曲形成)和完美鸣啭期(维持)。幼鸟通过模仿亲鸟传授的教习曲,再通过听觉反馈矫正自鸣曲来学习鸣唱。X区是教习曲和自鸣曲信息汇聚整合的部位。在感知运动阶段(边听,边记,边模仿),X区对于鸣唱时间特征的定型和音节序列的稳定起到重要的促进作用。

四、FoxP2基因与鸣禽鸣唱

   FoxP2基因不仅参与胚胎时期的关键性发育,对幼鸟鸣曲学习以及成鸟鸣曲稳定都起重要作用。

为了研究FoxP2在鸣唱学习中的功能,科学家使用慢病毒介导的RNA干扰技术,向斑胸草雀幼鸟脑内X区注入慢病毒,以减少双侧X区FoxP2的表达水平。结果显示,亚鸣啭期幼鸟FoxP2基因的敲除阻止了完整精确的鸣曲模仿过程,该基因表达水平的降低可使成年后的音节缺失。而损毁X区的幼鸟其音序连贯性差,显示出不同的鸣曲异常。另有实验消除因受模仿鸟某些鸣唱特征而造成行为差异的可能性,证明幼鸟X区神经元FoxP2表达水平的不足导致不正确的发声模仿。

在雄性斑胸草雀塑性鸣啭期,鸣唱控制核团HVC和X区都存在新生神经元从侧脑室迁移和分化的现象,同时在X区的新生神经元中FoxP2表达显著增加,这与鸣曲的形成有关。

   成年雄性斑胸草雀具有直接型和非直接型两种鸣唱。直接鸣唱是面对雌鸟求偶时的鸣唱,充满激情。非直接鸣唱则好像是自言自语。这两种鸣唱在声学上具有相似性而社交功能却大不相同。分别检测这两种鸣唱时FoxP2的表达水平,可帮助我们了解成鸟FoxP2与社交背景的相关性以及在成年鸣曲中所起的作用。于是有人设计了四组实验:直接鸣唱组,非直接鸣唱组,混合鸣唱组以及安静对照组。结果表明,直接鸣唱的短语数量与X区中FoxP2表达呈正相关,而非直接鸣唱呈负相关。这说明成年雄性斑胸草雀的鸣曲行为依赖于社交背景的调节。

   FoxP2基因在人类与鸟类共存,从进化角度带给我们更多的思考。无论其在脑内的表达分布,还是幼鸟和成鸟鸣唱可塑性中所扮演的角色,都说明该基因作为语言基因的进化程度。人类的语言功能是伴随动物进化过程逐渐发展完善起来的,语言的出现使人类的智慧达到顶点,成为万物之灵。鸟脑的语言控制区与人类语言区有许多相似之处(如侧别优势现象)。最终,我们需要知道语言基因如何导致脑结构的诞生,以及脑结构如何导致语言的产生。相信通过鸣禽该基因的研究,将会带给人类语言带来更多的借鉴和启示。

 




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