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金丝雀的基因组能告诉我们鸟类鸣叫的进化过程吗

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2024-10-27 17:34

2019-09-04 15:00 点击次数：973 关键词：

发表在《基因组生物学》上的一项新研究揭示了金丝雀唱歌行为进化的线索。

鸣禽几乎占了所有鸟类种类的一半，它们的鸣叫声十分复杂，这使得神经生物学家能够对它们的一般行为机制进行深入研究。

金丝雀已经成为研究神经系统变化(或“大脑可塑性”)影响激素依赖歌曲的首选模型。这是因为它有一个明显的繁殖季节，随着鸣叫和类固醇激素浓度的季节性变化，繁殖季节和非繁殖季节之间大脑的可塑性也不同。

金丝雀自15世纪开始被驯化，是生活在北大西洋亚速尔群岛、马德拉群岛和加那利群岛上的野生金丝雀的后代。和它们的野生祖先一样，驯养的金丝雀在长时间(繁殖)的条件下会唱出模式化的歌，而在短时间(非繁殖)的光周期下会唱出更多变化的歌。

我们进一步研究了金丝雀基因组序列的更广泛含义，它不仅允许研究激素对鸣叫和行为的影响，还为研究神经可塑性提供了一个很好的模型，可以作为分子神经科学研究的模型。

金丝雀基因组测序

我们的工作导致了第一个高质量的组装和注释的雌性金丝雀基因组的大小为12亿碱基对。在鸟类中，雌性是“异种性”(ZW)，因此分析的基因组序列包含两种类型的性染色体，Z和W。

金丝雀和整个鸟类分类群的13个基因组之间的全基因组比对显示，在全球范围内，鸟类基因组非常相似。

然而，当比较在更细的尺度上进行时，就会出现差异。例如，在核苷酸水平上有相当大的物种差异，这可能影响小的基因序列，如雌激素和雄激素受体结合位点。这些区域的这种差异可能导致基因调控的重大差异，甚至在亲缘关系密切的物种之间也是如此。因此，只有通过如此细致的基因组分析，我们才能获得关于金丝雀神经生理和行为特征调控的有用信息。

活跃于大脑鸣叫区域的基因

我们开始在长时间和短时间的条件下，将雄性家养的金丝雀成对放置。此外，一个实验组接受了睾丸激素植入，以诱导长时间暴露在短时间环境中的动物发出典型的长时间歌声。然后我们记录并分析他们的歌曲，然后收集他们的大脑进行分析。

在金丝雀基因组草图的基础上，我们分析了雄鸟中两个主要的类固醇激素敏感的歌曲控制大脑区域——所谓的HVC(以前称为“腹侧纹状体，尾部部部”)和RA(粗壮的树核)。此外，我们还观察了一种非甾体激素敏感的、非声音但视觉的脑区ENT(脑内葱属)。

在这项全球分析之后，我们重点研究了具有三个特征的基因网络;它们与HVC和RA大脑区域的鸣叫有关，表现出季节性，并且对睾丸激素敏感。特别是，我们研究了这些基因网络的基因是否含有序列，使它们对激素更加敏感，而金丝雀的基因与鸣叫行为无关。

为了验证这些基因中对激素敏感的元素是否对金丝雀具有特异性，我们还研究了斑胸草雀的基因，因为斑胸草雀没有进化出对激素敏感的鸣叫表达。睾丸激素敏感的HVC上调基因网络对神经元分化具有重要作用。在HVC脑区金丝雀的睾丸激素调节基因中，我们发现斑马雀20%缺乏雌激素反应元件，8%缺乏雄激素反应元件，这意味着它们是严格的金丝雀特异性基因。

这些分析揭示了控制季节性歌唱行为的歌曲系统不同部分的特定进化变化。因此，在金丝雀中，那些对睾酮和雌激素敏感的基因，以及参与神经元重组的基因，可能对底层神经元底物的重新分化至关重要，比如HVC，从而导致季节性的鸣叫模式。

由于许多已确定的激素反应基因启动子位点与其他鸣禽基因组相比具有金丝雀特异性，因此本研究表明，需要高质量的基因组组装来检测其他比较研究中的基因进化。