互动科普

理解行为的遗传结构

Ralph J. Greenspan

研究果蝇的求偶与交配提供了观察遗传基因影响复杂行为完成方式的途径。

在本世纪最初的十五年中，新兴的遗传学首次向人类展示了遗传如何得以实现的可能机理。对植物花色特征和果蝇翅膀形状的研究已经证实了孟德尔（Gregon Mendel）曾在1865年提出然而并未引人注意的假说：亲代生物性状传递给子代是通过分离的遗传物质单位即基因来实现的（将这一神秘的单位命名为基因是在1911年）。正如通常发生的那样，当一种新的学说获得初步成功时，科学家和其他人立即将这种新领域的知识用于更宽的领域，有时甚至是不恰当地用来解释另一些复杂的现象，特别是用于解释人类的行为。他们通常认为复杂的行为是由单一基因来控制的。

然而，甚至相当精心的研究人员也没能够将人类的行为特征确切地与一种单一的基因或一小组的基因联系起来。这可能归咎于方法手段的问题。当涉及到人类行为时，尚不能有效地将基因的影响从文化和习染的影响中清楚地分辨开来。另一方面，如果科学家试图尽力避开环境的影响，而只将注意力单纯集中在行为的遗传方面，他们也许仍会发现这种原有的假设存在的缺陷。对简单有机体在严格控制下的研究表明，有众多的基因可能作用于大多数行为，其中有些作用得很微妙。

对人类行为的早期认识

早在一个多世纪以前，有人就提出“人类的行为是否遗传”这样的问题。Francis Galton，使用统计学的先驱者，就是首先提出这种问题的科学家之一。他于十九世纪八十年代使用他新创立的“相关系数”方法，分析了亲代与其子代间的各种生理和行为特征，提出了行为特征可以遗传的理论。他还通过比较不同代中特征的分布状态，得出了一个性状是遗传物质多重供体的产物的结论。

随着二十世纪初叶对孟德尔的研究成果的重新发现，一个与此相左的观点获得了一批支持者。这一观点又为颇有影响的遗传学家Charles B. Davenport（长岛科尔德斯普林港实验室的创办者）等人所接受。他们极端地认为，音乐能力、气质、或者精神薄弱等定义不准确的特性也与某一特定的基因有关。例如Davenport在1921年曾断言：“广泛的家系分析表明，中度及重度的精神薄弱患者极有可能是通过一种隐性性状而遗传的，至少大致如此。”（遗憾的是，尽管在遗传的机制上，他们的观点相悖，但两人从自己的观察研究中都得出一个相似而危险的结论。Galton杜撰了“优生学”这个术语，热切地鼓吹通过选择有优异特性的人的生育繁衍来改善人种的素质，而Davenport也是这种实践的热情支持者。）

在本世纪20年代，评价基因对行为影响的一些实验研究首次在狗身上实施。在许多性状中，研究者们侧重检测了猎狗在狩猎过程中定位（发现猎物后指示位置的动作）和吠声这两个特点。

狗的品种，既可以通过外表特征，也可以通过行为特征来区别。早期研究用具有不同行为特征的狗相互杂交，然后再将杂种后代相互交配。如果是由单一或少数基因控制被选择的行为性状，实验者预期在这些动物的最后一代中将出现分离性状的群体，其中一群性状接近母本，另一群则应接近父本，或许还有一群或几群的行为特征介乎父母本之间。如果行为性状由许多基因参与决定，研究者预期将不会发现分离的群体，其行为特征将广泛分布在子代中。实验的结果与后一种预期相一致，表明许多基因共同在一种性状的表现中起作用。相同的结论来自对实验室白鼠走迷宫的研究。

这样的分析具有参考价值，但又具有较大的局限性。繁殖实验不可能为某一品种的所有成员中相对不变的行为特征提供有充分意义的遗传根据。为了研究这些问题及相关的情形，科学家需要一种方法去认定特定的基因与相应的行为之间的联系。不幸的是直到许多年以后，他们才有了这样的技术手段。

到了本世纪60年代，许多进行动物行为结构分析的技术障碍被攻克了。1953年，DNA结构也被破泽。微生物研究揭示了基因如何指导蛋白质的合成的奥秘。当一个基因被激活时，它导致了编码蛋白质的合成，然后，这些蛋白质在体内执行一些需要的功能——例如建立和操纵神经系统（神经系统本身最终导致行为的形成）。这些研究同时还弄清了通过基因合成蛋白质的许多步骤，并为80年代研制出许多分离单一基因并确定相应蛋白质功能的有用工具奠定了基础。

加州理工学院的Seymour Benzer是提出基因是DNA线性片段的带头人。在60年代中期，他还成为首先把基因影响扩展到生理特性以外的研究者之一。Benzer开始精细地研究果蝇（Drosophila melanogaster）以确定影响行为的基因。这种努力在不断进行着，尤其是在Brandeis大学Jeffery C. Hall的实验室。Hall是在这一新领域内与Benzer一起工作的早期研究者之一，而且这项工作也一直在纽约大学我的实验室中和其他地方进行，70年代中期，当我成为Hall在Brandeis大学的第一位研究生时，便开始涉足这项研究。

关于果蝇的研究

在许多值得注意的行为中，果蝇的求偶过程看起来是最有价值的。这一过程由一系列的动作构成，并且每一步都伴随着雌雄果蝇在视觉、听觉和化学感觉方面的信息交换。雄性果蝇在相互作用的舞蹈中是更为活跃的舞蹈者，所以受到见多的注意和研究。

求偶过程开始于被称作定位的步骤。在这一过程中雄蝇不需指令，它面对雌蝇站着，相距约0.2毫米。然后它用前脚拍打雌蝇的腹部，如果雌蝇离开，雄蝇便跟随着。接着它张开一个翅膀颤动，产生“情歌”。取决于雌蝇这时的兴趣，雄蝇可能走回去，又重复一遍它的动作。但如果—切顺利，它伸出喙（一种在顶部带有口器的管状附器）去舔雌蝇的生殖器。接下来它试着去骑雌蝇，如果雌蝇接受，便行交配。在果蝇种群中，雄蝇要完成所有的求偶过程并在雌蝇表示接受后，才进行交配，通常都不会发生强行交配。

Hall最初在Benzer的实验室里工作，作为寻找可能参与求偶行为的基因的第一步，他开始鉴定中枢神经系统的哪些部分在控制着求偶过程的每一步。他通过生产一种持别的，称为基因嵌合体的果蝇（携带雄性和雌性细胞的混合体果蝇）来进行这一研究。

这一技术基于对果蝇性发育过程的了解。在果蝇胚胎中，性发育受到每一细胞中的X染色体组的控制。只具有一个X染色体的细胞产生雄性的解剖结构和行为特征，形成一只完整的雄蝇；细胞中有两个X染色体产生雌性的解剖结构和行为特性。这些差异起因于单个X（雄）和两个X（雌）细胞会激活分离却又重叠的所谓性别决定基因组。Hall知道如果在一只主要携带雌性细胞的果蝇脑中的特定部位嵌入雄性细胞，那么这只果蝇身上表现出来的任何雄性求偶行为，都将是由于这一持定部位的雄性基因的表达（即激活）的缘故。

一旦嵌合体果蝇产生，Hall监控着果蝇在求偶方面的尝试，然后他将果蝇速冻，并仔细地将这一极小的生物（1.5毫米长）切成20张薄片。有一种巧妙的染色技术标明雄性细胞和雌性细胞的分布。本世纪70年代的实验尤其令人神经高度紧张。因为嵌合体果蝇的产生极为不易。没有两个个体会含有完全相同的雄性细胞和雌性细胞的分布。每一只果蝇必须在一系列的行为实验中存活下来，并且所有的20张切片都必须分析。这些独一无二的昆虫意味着实验者没有第二次机会。

在检验了许多这样的嵌合体果蝇之后，Hall推论求偶过程的前部分（朝向雌蝇、拍打雌蝇腹部、追随、伸开翅膀）要求雄性细胞嵌入在蝇脑顶部向后的一个相对较小区域的一边或相对的另一边。这一区域从蝇的各种感觉系统中合成信号，换句话说，在这一部位的雄性细胞，以某种方式形成引起求偶行为的触发机制，这种机制存在于雄果蝇中而非雌果蝇中。求偶的后继过程，尤其是要求精细动作协调的过程，则要求雄性细胞存在于神经系统的另一些部分。例如，果蝇为了发出适当求偶歌，必须使雄性细胞既嵌在触发区，又嵌在相当于脊髓的胸神经节内。

新近，我的同事与我也鉴别出决定果蝇性选择行为的脑神经部位。我们这一发现几乎是在不经意的情况下取得的。我们实验室的Joan-Francois Ferveur（现在Orsay巴黎大学）创造了一种全新的嵌合体果蝇种，它主要是由雄性细胞构成，而仅在脑的特选区域有雌性细胞。在研究这些昆虫的求偶行为之前，我们想看到刚成熟的雄蝇是否会错将这些嵌合体果蝇误作雌蝇。这些嵌合体果蝇并不被当作雌蝇接受。而使我们惊奇的是，少数嵌合体果蝇自己表现一种怪异的行为。他们以向雌蝇求偶的热情向雄蝇求偶。

与德国弗里堡大学的Klemens F. Stort Kuhl和Reinhard F. Stocker协作检查了这些非同异货的果蝇的脑后，我们发现当中枢神经的以下两部位之一是雌性细胞时，果蝇的性辨别能力便发生了改变。其一是触角神经叶，其二是脑的蘑菇体部分，而后者紧紧位于求偶触发区夯边。以上两个部位参与加工嗅觉信息。如果其中之一或两个分析气味的中枢是雌性细胞，那么果蝇便失去把雄果蝇从雌果蝇中分辨出来的能力，而变得对雌雄果蝇均感兴趣。

遗传对求偶过程的影响

发观中枢神经的许多不同区域涉及到雄蝇求偶的过程，意味着多种基因也参与了这一过程。亊实上，现已发现12个以上的部位都与求偶有关，这主要是由Hall和他的同事发现的。例如，无效基因影响果蝇性的选择。这种基因的变异影响雄蝇的方式与有雌性细胞在触角神经叶或蘑菇体中影响雄蝇的方式大致相同。它使得雄蝇追求另一雄蝇时变得象追求雌蝇一样贪婪。这种遗传基因在求偶的最后阶段中也是必须的。因为当雄蝇携带了变异基因后，便无意再去与雌蝇交配了。

因此，整个情形开始显得与Galton而非Daven port的观点相—致了。然而让人奇怪的是，尚无人鉴别出涉及到求偶的任何基因是完全只用于这一行为的。越来越多的证据表明正确的解释既不是Galton，也不是Daven port曾经预言的那样。或许更可能的是，在求偶行为（或其他行为）中起作用的许多基因在体内还兼有其它更多的作用。同样的基因或许在雄蝇和雌蝇中起着不同的作用。

例如，请考虑在已知参与雄蝇求偶歌的三个基因之一的被称为“周期”的基因。Hall和英国莱斯特大学的Charalambos P. Kyriacou对它作过广泛的研究。

在1980年，当他们发现雄蝇的求偶歌具有可分辨的韵律时，Hall和Kyriacou便决定检验“周期”基因。通过Benzer的研究生Ronald J. Konopka的研究，他们已经知道这种基因作用于果蝇的节律性（时间周期，如觉醒与睡眠，这是所有生物的特征）。这一特性使他们想到或许“周期”基因也会作用于求偶歌的韵律。

尽管由拍打翅膀产生的求偶歌对于我们说不上是一种音乐，但它具有可辨别的特性。当昆虫上下煽动一次翅膀，这种上下运动产生出一种特殊的声音或脉冲。这种声音可以用录音装置记录下来。大约27秒钟，雄蝇逐渐在每次连续的拍打中增加间隙。然后，在接着的27秒或28秒中，它逐步减少间隙，于是这些间隙对时间作图产生出一条平滑的正弦曲线。

Hall和Kyriacou发现携带正常“周期”基因的雄蝇产生正常的求偶歌，使得雌蝇更易接受他们的追求。相反，携带不活动基因的果蝇发出缺乏通常平滑韵律的求偶歌，便明显地对雌蝇缺乏有效的刺激。当计算机摸拟出正常的但缺乏韵律的歌去刺激单独的雌蝇，然后将它与雄蝇配对时，雌蝇对异常的歌无动于衷，也不接受雄蝇的求爱。同样的，少量变异的基因会产生出基本保持韵律，但正弦波形变宽或变窄的歌。在这种过程中，求偶歌也减少了对雌蝇的诱惑力。

在求偶全过程和求偶歌中周期基因产生的微妙效应，更加使人接受求偶过程或其它复杂行为一般是由多个基因共同控制的说法。周期基因参与设置了其它生物钟，同时也在中枢神经的许多部分表达。这一事实支持了这样的观点。即任何一个特定的基因都作用于不止一种行为。

与此巧合的是，Hall、Kyriacou和Michael Resbusk（也在Brandeis大学）最近指出了控制求偶歌韵律越因的准确部位。他们发现中间的一个小区域专门用于求偶歌，基因的平衡控制其它节律。这种分工的推论，部分是因为一种不同品种的果蝇D. simulans与果蝇D. melanogaster具有相同的24小时的活动和休息周期，但是果蝇D. simulans产生的求偶歌的脉冲间隙却不相同。这两个果蝇品种的周期基因是相似的，仅在中间区域上有微小的区别。更重要的证据是通过遗传工程技术将果蝇D. melanogaster的周期基因的中间部分用果蝇D. simulans的相应部分替换后产生的果蝇。具有杂合的周期基因，这种新杂合果蝇“唱”的求偶歌与果蝇D. simulans相似。

尽管果蝇的性选择和求偶行为是一种预定的过程，但是雄蝇与雌蝇具有在相互作用中调整自己活动的能力，换言之，它们能够学习。正如完成求偶过程的能力是由基因指导的，这种在经验中学习的能力同样也与基因有关。研究这一现象进一步支持这样一种可能性：行为是由许多相互作用的基因控制，而这些基因在体内又起着多种多样的作用。

从经验中学习

雄蝇可以学会的一件事，就是在求偶过程中，它不会在一只已交配过的雌蝇那里浪费更多的时间。同样这只雌蝇也不会接纳它。正如Hall与洛杉矶加利福亚大学的Richard W. Siegel发现的那样，雄蝇不知疲倦地去追求一只未交配过的雌蝇，但在30分钟至1小时内，当它通过为母亲者散发出的一种抑制信息素，弄清楚这是一只已交配过的雌蝇，它便会失去兴趣。一旦雄蝇放弃这次追求后，它会对所有的雌蝇不论是否交配过的都会失去兴趣。这种现象要持续几小时之久。假如这里有什么明显的进化理由与这种行为有关联的话，答案或许是，如果在一群雌蝇中已有一只交配过的雌蝇存在，这一信号表明绝大多数或所有的雌蝇已经交配过了。所以对于雄蝇来讲，最好是把精力放到别处去。

几年以前，我与Brandeis大学的Leslie C. Griffith—道开始探索这一反应的遗传结构基础。我们从其他人的研究中得知一种称为CaMKⅡ酶能够帮助记录下经验在神经活动中的效采。在这一过程中，酶诱导分子发生改变，这可能是学习的基础。我们因此决定去了解雄果蝇是否也需要有这种蛋白质及与之相应的基因，以便能对交配过的雌蝇做出恰当的反应。

作为第一步，Griffith培养出一种果蝇新品种，这一果蝇品种的CaMKⅡ蛋白质活力通过提高其体温便可停止。的确，当这种酶的活性即使稍有所下降，这一品种的雄蝇的行为就变得怪异起来。它们与正常果蝇一样，向未交配过的雌蝇求偶；并且在通常的一小时左右之后，对已交配过的雌蝇失去兴趣，但它们似乎会立即忘掉拒绝交配的经历。当把它们刚从一只已交配过的雌蝇那里移到另一只雌蝇面前时，它立即开始新的求偶过程。当CaMKⅡ酶被进一步抑制时，这些雄蝇完全不能学习。它们向已交配过的雌蝇求爱可以无节制地长达数小时（甚至在果蝇世界中，似乎有些“男人”是永远不能学习的。）

一旦我们知道通过它的酶产品的作用，CaMKⅡ基因在求偶中确实参与了学习过程，我们很自然就开始考虑，酶自身是怎样帮助记录下经验的？所有的蛋白质激酶都是通过磷酸基化（即将磷酸根基因加到其它分子中去）而激活或抑制靶目标。但是在神经元中什么是激酶的靶目标，并且把靶目标磷酸化后会发生什么情形？这样的问题最终导致我们去证实在神经活动中表达出来的第二个基因——eag，也是一个参与这种学习的有用工具。

另一种学习基因

这种基因的蛋白质产物是一种跨膜通道的组成部分，它调节钾离子流出神经元。打开这些通道有助于控制兴奋性，并释放神经递质。神经递质将信息从一个细胞传向另一个细胞。这一基因的名称来自60年代，当时人们发现，当携带变异的eag基因的果蝇被麻醉时，它们的腿开始颤动，以这种情形为特征，发现者们将这一起因称为ether-a-go-go。

从我们的研究以及我们的合作者衣阿华大学的Jing Wang和Chun-Fang Wu和其他人研究的一些线索中，我和Griffith开始认为CaMKⅡ酶可能通过改变在钾离子通道中的EAG蛋白质参与学习，例如，哥伦比亚大学时Eric K. Kandel和他的同事证明海生软体动物Aplysia通过简单的学习，一种钾通道被一种激酶所改变。而且，我们发现EAG蛋白质的变异。实际上同样会导致雄果蝇“呆头呆脑地向雄蝇求偶”，正如CaMKⅡ基因被抑制时那样。这种发现暗示这两种蛋白质可能在同一联串的分子反应中起作用，并且CaMKⅡ可能作用于EAG蛋白质。

使我们感到高兴的是，Griffith证实这种酶至少在试管里真的能改变EAG蛋白质。根据这些发现以及对变异动物膜通透性的电子记录，我们现在推论，雄蝇是在通过激活以下一系列分子反应后学会放弃向交配过的雌蝇求偶的。

首先，在向已交配的雌蝇求偶过程中，雄蝇暴露在一种抑制性欲的信息素中，它们的感觉系统受刺激，将信息反馈到脑部的触发区。刺激的结果使钙在通常在求偶中会促进性唤起的细胞中积累起来。这种积累激活CaMKⅡ酶，它使在带有这种蛋白质的钾离子通道中的EAG蛋白质磷酸化。这种改变引起通道打开，允许钾离子流出神经元，因此细胞安全下来，降低其释放神经递质的能力。这些细胞变得安静下来后，雄蝇便失去了交配的兴趣。相反，这两种蛋白质的任一种的基因有缺陷时，雄蝇都可能错误地对已交配过的雌蝇保持兴趣，因为在关键的细胞中钾离子通道关闭，允许神经元过度兴奋。

CaMKⅡ和eag基因已被证实只是在果蝇几个已知的对学习和记忆产生影响的基因中的两个。其它几个基因也参与求偶过程。这一发现相当符合这种观点——行为是由许多基因网络的相互作用引起的，许多这样的基因也参与有机体生物活动的许多其它不同方面的工作。

关于人的课题

对果蝇行为遗传基因的研究与人类是否有关呢？我认为在一定限度内是相关的。有充分的理由相信，基因对人类行为的影响至少与对果蝇行为的影响是一样的复杂。因此关于多个多重功能基因都起小作用的观点大致也可以运用于人类。许多在果蝇脑中产生功能的基因可能将被证实在人脑中具有重要作用。一些在果蝇中发现的基因，例如eag基因，也已经在人类身上发现相应的类似基因。这些发现应有助于人们深入了解促使中枢神经系统产生行为的分子间的相互作用。

新的技术已经允许探究待定的基因在人类特性中所起的作用。这些技术已被运用到一系列复杂的特性上。包括音乐能力——只是较之Daven port时代更为精细。这样的工作，以及从动物研究得到的推论，可能有助于揭示一些对人类特定行为有作用的基因。但是对任何主张单纯地从遗传基因角度来解释人类行为的研究都应持审慎态度。现代社会根深蒂固地厌恶将人作为实验对象而置于完全受控制的环境之中，这就使得要证实上述主张的实验事实上是根本不可能的。

【李霓虹/译  王世德/校】