上期内容：神经科学原理-第1章 大脑和行为（下）

所有行为都是基因与环境相互作用的产物。简单动物的典型刻板行为受环境影响较大，而人类复杂的行为则受到基因决定的先天特性约束。基因并不直接控制行为，而是通过编码不同时间点和层面上发挥作用的RNA和蛋白质，间接影响大脑发育。基因在脑部发育过程中起着至关重要的作用，决定了神经元、胶质细胞和突触的特性，从而确保神经回路的正常运作。稳定遗传的基因代代相传，为新的体验通过学习过程改变大脑提供了机制。

在本章中，我们将探讨基因如何影响行为。首先，我们将概述基因对行为影响的证据，然后回顾分子生物学和遗传学的基本原理。接下来，我们将通过具体实例展示基因如何影响行为。对蠕虫、果蝇和小鼠等实验动物的研究，为我们揭示了基因如何调节行为的机制。这些动物的基因组可以进行实验操作，帮助我们深入理解基因的作用。此外，通过对人类大脑发育和功能的研究，科学家发现了许多与人类行为密切相关的基因。尽管研究人类复杂特征面临巨大挑战，但近年来的进展已开始揭示神经发育障碍和精神疾病（如自闭症、精神分裂症和双相情感障碍）的遗传风险因素，为阐明基因、大脑与行为之间的关系提供了新的路径。

2.1 理解分子遗传学和遗传力对研究人类行为至关重要

许多人类精神疾病和神经系统疾病都具有遗传背景。与普通人群相比，患者的亲属更容易罹患这些疾病。遗传因素在群体特征中所占的比例被称为遗传力。双胞胎研究提供了遗传力最有力的证据，这一研究方法最早由弗朗西斯·高尔顿于1883年提出。同卵双胞胎源自一个受精卵，该受精卵在受精后不久分裂为两个个体；因此，同卵双胞胎共享全部基因。相比之下，异卵双胞胎由两个不同的受精卵发育而成；这些双胞胎与普通兄弟姐妹一样，平均共享约一半的遗传信息。多年来的系统性研究表明，同卵双胞胎在神经和精神特征上的一致性（即相似程度）通常高于异卵双胞胎，这为这些特征的遗传成分提供了支持性证据（见图2.1.1A）。

图2.1.1  精神疾病的家族风险提供了遗传性的证据。A. 同卵双胞胎之间的精神疾病相关性显著高于异卵双胞胎。同卵双胞胎几乎共享所有基因，因此他们患相同疾病的风险也较高（虽然不是100%）。异卵双胞胎则共享约50%的遗传物质。图中的“0”表示完全没有相关性（相当于两个随机个体之间的平均结果），而“1.0”表示完全相关。B. 精神分裂症患者的近亲罹患精神分裂症的风险更高。与异卵双胞胎类似，父母、子女和兄弟姐妹共享50%的遗传物质。如果精神分裂症由单一基因引发，那么患者的父母、兄弟姐妹、子女和异卵双胞胎的患病风险应相同。但家庭成员之间的风险差异表明，更复杂的遗传和环境因素共同作用于疾病的发生。

在双胞胎研究的一个变体中，明尼苏达双胞胎研究调查了那些在生命早期被分开并在不同家庭中长大的同卵双胞胎。尽管他们的成长环境有时存在显著差异，这些双胞胎仍然表现出对相同精神疾病的易感性，甚至在性格特征如外向性方面也表现出高度相似。这项研究提供了强有力的证据，表明遗传变异不仅对疾病状态有影响，也对正常的人类差异有贡献。

人类疾病和行为特征的遗传力通常远低于100%，这意味着环境在这些特征或疾病的形成中也起着重要作用。如图2.1.1B所示，许多神经学、精神病学和行为特征的遗传力估计值约为50%，但具体特征的遗传力可能更高或更低。尽管对同卵双胞胎和其他亲属关系的研究支持了人类行为具有遗传成分的观点，这些研究并未明确哪些基因起着关键作用，也未揭示特定基因如何影响行为。这些问题通过实验动物的研究得到了解答，在这些研究中，遗传和环境因素受到严格控制。同时，现代基因组学研究方法正引领我们系统而可靠地识别出人类精神病学和神经学表型中的特定DNA序列和结构变异。

2.2 对基因组结构和功能的理解正在不断发展

分子生物学和遗传学是现代基因研究的核心领域。在这里，我们总结了这些领域的一些关键概念；本章末尾的词汇表则定义了常用术语。

基因由脱氧核糖核酸（DNA）构成，DNA是从一代传递到下一代的遗传物质。通常，每个基因的精确复制体都会在生物体中的所有细胞中存在，并通过DNA复制传递给后代。然而，也有少数例外情况，例如种系或体细胞中引入的新的（从头）突变，这些突变可能在疾病风险中起重要作用，我们将在后续章节中讨论。

DNA由两条链组成，每条链由脱氧核糖和磷酸构成的主链，以及一系列四种核苷酸：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。如图2.2.1所示，两条链之间通过碱基配对形成双螺旋结构，其中一条链上的腺嘌呤总是与另一条链上的胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤则与胞嘧啶配对。这种互补性确保了DNA在复制过程中能够准确复制，并驱动了DNA的转录过程，生成称为转录本的RNA分子。由于基因组几乎完全是双链结构，碱基或碱基对可以互换作为测量单位。比如，包含一千个碱基对的基因组片段称为1千碱基（1kb）或1千碱基对（1kbp），而包含一百万个碱基对的片段则称为1兆碱基（1Mb）或1兆碱基对（1Mbp）。

与DNA不同，RNA通常是单链的，具有核糖而非脱氧核糖骨架，并且使用尿苷（U）代替胸腺嘧啶（T）作为碱基。

在人类基因组中，大约有2万个基因编码蛋白质。这些蛋白质是通过将线性的信使RNA（mRNA）序列翻译成由氨基酸组成的线性多肽（蛋白质）序列生成的。一个典型的蛋白质编码基因由编码区和非编码区组成，其中编码区最终被翻译成蛋白质（如图2.2.2所示）。编码区通常分布在称为外显子的多个小片段中，这些外显子被称为内含子的非编码区段隔开。在翻译成蛋白质之前，内含子会从mRNA中被剪除。

许多功能性RNA转录本并不编码蛋白质。事实上，在人类基因组中，已鉴定出的非编码RNA转录本超过4万个，而编码蛋白质的基因仅约有2万个。这些非编码基因包括核糖体RNA和转运RNA，它们在mRNA翻译过程中发挥关键作用。此外，还有长链非编码RNA（长度超过200碱基对），这些RNA不编码蛋白质，但在基因调控中起重要作用；指导mRNA剪接的多种小非编码RNA，包括小核RNA；以及与特定mRNA的互补序列配对以抑制其翻译的微小RNA（miRNA）。

尽管每个细胞中都包含整个基因组的DNA，但只有特定基因的子集会被表达为RNA。这些被转录成RNA的基因通常由非编码DNA区域所调控，这些区域可以与其他蛋白质（如转录因子）结合，以调节基因的表达。这些调控序列包括启动子、增强子、沉默子和绝缘子，它们共同确保RNA在正确的时间和细胞中得到精确表达。启动子通常位于待转录区域的起始位置附近，而增强子、沉默子和绝缘子则可能远离被调控的基因，但仍能有效影响其表达。每种细胞类型都有自己特定的一组DNA结合蛋白，这些蛋白与启动子和其他调控序列相互作用，调节基因表达并决定细胞特性。

大脑表达的基因数量比身体其他任何器官都多，并且在大脑内部，不同的神经元群体表达着不同的基因组合。由启动子、其他调控序列及其相互作用的DNA结合蛋白控制的选择性基因表达，使得有限数量的基因能够在大脑中生成大量不同的神经元细胞类型和复杂的神经连接。

虽然基因决定了神经系统的初始发育和基本特性，但个体的经历和特定神经回路中的活动也会改变基因表达。通过这种方式，环境因素被整合到神经回路的结构和功能中。遗传学研究的主要目标之一是阐明单个基因如何影响生物过程，基因网络如何相互作用，以及基因如何与环境互动。

图 2.2.1：DNA的结构。DNA由双螺旋结构组成，四种核苷酸碱基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤——沿着糖磷酸骨架排列在双链的DNA螺旋上。 

图 2.2.2：基因结构与表达。A. 基因由编码区（外显子）和非编码区（内含子）组成，内含子将外显子分隔开。基因的转录受非编码区的调控，例如启动子和增强子，这些通常位于基因的起始位置附近。B. 转录过程生成包含外显子和内含子的初级单链RNA转录本。C. 剪接过程将内含子从未成熟的转录本中移除，并将外显子连接形成成熟的mRNA，后者随后从细胞核中输出。D. 成熟的mRNA在翻译过程中生成蛋白质产物。

细胞中的基因有序地排列在称为染色体的长而线性的DNA链上。人类基因组中的每个基因都位于特定染色体上的固定位置，称为基因座（locus）。这个遗传“地址”有助于将生物学特征与基因的作用联系起来。大多数多细胞动物（包括蠕虫、果蝇、小鼠和人类）都是二倍体，这意味着每个体细胞携带两套完整的染色体，一套来自母亲，另一套来自父亲。人类基因组大约包含2万个基因，但这些基因分布在46条染色体上：22对常染色体（在男性和女性中都存在）和两条性染色体（女性有两条X染色体，男性有一条X染色体和一条Y染色体，见图2.2.3）。每位父母都为二倍体后代提供每对常染色体中的一条。此外，每位父母还为女性（XX）后代提供一条X染色体，而XY染色体的男性从母亲继承一条X染色体，从父亲继承一条Y染色体。

伴性遗传由托马斯·摩尔根于1910年通过对果蝇的研究首次发现。这种与X染色体相关的伴性遗传模式在人类遗传学中具有重要意义。例如，一些X连锁遗传病通常仅在男性中表现出来，尽管这些疾病是从母亲那里遗传的，并通过儿子传递。

图 2.2.3：中期阶段的人类染色体图解，展示了每条染色体的独特形态。染色体的特定大小以及其上的明暗条带图案，使得每条染色体可以彼此区分。

除了染色体上的基因外，生物体还有少量基因通过线粒体遗传。线粒体是负责细胞代谢过程的细胞器，存在于细胞质中。所有孩子的线粒体都来自母亲的卵细胞，因此线粒体DNA是由母亲传给后代的。一些人类疾病，包括某些神经肌肉退行性疾病、智力障碍的某些类型以及某些耳聋的形式，是由线粒体DNA中的突变引起的。

2.3 基因型与表型之间的关系通常非常复杂

个体中某个常染色体基因的两个副本称为等位基因。如果这两个等位基因相同，个体在该基因位点上被称为纯合子；如果两个等位基因由于突变而不同，则称为杂合子。男性在X染色体上的基因是半合子，因为他们只有一条X染色体。一个群体中可以存在多个等位基因；例如，控制人类眼睛颜色的OCA2基因，可能有不同的等位基因，编码蓝色、绿色、浅褐色或棕色的眼睛颜色。因此，区分生物体的基因型（遗传构成）和表型（外在表现）是非常重要的。广义上，基因型指个体基因组中所有等位基因的组合；狭义上，它指的是某个特定基因的等位基因。而表型是整个生物体的表现，是基因型在特定环境下表达的结果。

如果一个突变的表型只有在该基因的两个等位基因都发生突变时才表现出来，那么这种表型被称为隐性表型。这通常发生在个体是突变等位基因的纯合子，或是所谓的复合杂合子，即在两条染色体的相应基因中各携带一个不同的有害等位基因。隐性突变通常是由功能性蛋白的丧失或减少引起的。在人类和实验动物中，突变性状的隐性遗传现象非常常见。

如果突变的表型由一个突变等位基因和一个野生型等位基因的组合产生，那么这种表型和突变等位基因就被认为是显性表型和显性突变。一些显性突变是因为50%的基因产物不足以维持正常的表型（单倍体不足）。其他显性突变可能导致异常蛋白的产生，或者引起野生型基因产物在不适当的时间或地点表达；如果这种异常表达对抗正常蛋白的功能，它就被称为显性负效应突变。

当考虑一个基因的正常（野生型）等位基因与突变等位基因共存的后果时，基因型与表型之间的区别变得尤为重要。近年来，在自闭症和癫痫等神经发育障碍的基因研究中，发现人类基因组对单倍体不足的敏感性比之前认为的更高。然而，尽管一个基因的两个副本完全失活通常会产生可预测的效果，单倍体不足的严重程度和表现形式在不同个体之间可能有很大差异，这种现象被称为可变外显率或部分、不完全外显率。

遗传变异对人类发育、细胞功能或行为的影响是一个从常见等位基因（也称为多态性）到罕见变异的连续体。通常，常见的等位基因对生物学和行为的个体影响较小，而罕见变异可能具有较大的生物学效应（见Box 2.1）。尽管这些分类具有概括性，但在一些重要案例中，常见的多态性也可能显著增加疾病风险。例如，APOE基因的一种常见变异在16%的人群中存在，可将晚发性阿尔茨海默病的风险增加四倍。

2001年，人类基因组的几乎完整的核苷酸序列被公布，同时也解码了许多动物的基因组。通过比较这些基因组，得出了一个令人惊讶的结论：人类这个独特物种并不是因为独特的新基因的发明而产生的。

虽然人类和黑猩猩在生物学和行为上有显著差异，但它们共享99%的蛋白质编码基因。此外，人类大约20,000个基因中的大多数也存在于其他哺乳动物中，如小鼠，而且超过一半的人类基因与无脊椎动物（如蠕虫和果蝇）中的基因非常相似（见图2.4.1）。这一发现表明，古老的基因在人类与其他动物之间是共享的，只是它们在不同物种中被以新的方式调控，才产生了人类独特的特性，如复杂思维和语言的能力。

图 2.4.1: 大多数人类基因与其他物种的基因存在关联。只有不到1%的人类基因是人类所特有的；其余基因则可能在所有生物、所有真核生物、动物或仅脊椎动物中共享。

由于基因在进化过程中高度保守，研究一种动物所得出的结果通常可以应用于其他具有相应基因的动物，这在无法进行人类实验时尤为重要。例如，与人类基因有相似氨基酸序列的小鼠基因，通常在功能上与相应的人类直系同源基因相似。

大约一半的人类基因功能已通过其他生物体的直系同源基因得到证实或推断（见图2.4.2）。人类、果蝇，甚至单细胞酵母中共有的一组基因，编码了参与中间代谢、DNA、RNA和蛋白质合成、细胞分裂、细胞骨架结构、蛋白质运输和分泌的蛋白质。

图 2.4.2: 26,383个人类基因的预测分子功能分类。

2.5 在动物模型中研究行为的遗传调控

由于人类与动物基因在进化上高度保守，利用动物模型研究基因、蛋白质和神经回路之间的关系——这些关系构成了行为的基础——可以为我们理解这些机制在人类中的作用提供深刻见解。在基因功能研究中，已有两种重要策略被广泛应用。

在经典遗传分析中，首先通过化学或辐射诱变对生物体进行随机突变处理，然后筛选出那些影响特定行为（如睡眠）的可遗传变化。这种方法不偏向任何特定基因，而是对所有可能导致可检测变化的突变进行随机搜索。通过追踪这些可遗传的变化，可以识别出在突变体中被改变的具体基因。因此，经典遗传学的发现路径是从表型到基因型，从生物体到基因。

相反，在反向遗传学中，研究者针对特定感兴趣的基因进行操控，创建转基因动物，并研究这些基因变化对动物的影响。这种策略具有针对性和方向性——从特定基因入手，发现路径是从基因型到表型，从基因到生物体。这两种实验策略及其各种变体构成了实验遗传学的基础。基因操作通常在实验动物中进行，而不是在人类身上。

20世纪70年代，西摩·本泽及其团队启动了首次大规模研究，探索基因如何影响行为。他们采用随机诱变和经典遗传分析的方法，识别出了影响黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）学习行为和先天行为的突变，包括昼夜节律（24小时）节奏、求偶行为、运动、视觉感知和记忆（见Box 2.2和Box 2.3）。这些诱导突变极大地推动了我们对基因在行为中作用的理解。

果蝇的随机诱变

果蝇行为的遗传分析通常在经过基因突变的果蝇个体中进行。突变可以通过化学诱变或插入诱变来实现，这些方法能够影响基因组中的任何基因。类似的随机诱变策略也被应用于秀丽隐杆线虫、斑马鱼和小鼠中，以产生突变体。

化学诱变，例如使用甲磺酸乙酯，通常会在基因中引发随机点突变。当可移动的DNA序列（称为转座子）随机插入到其他基因时，就会发生插入突变。

在果蝇中，最广泛使用的转座元件是P元件。P元件可以被修饰为携带眼睛颜色的遗传标记，这使得它们在遗传杂交中易于追踪。同时，P元件还可以被修饰以改变它们所插入基因的表达。

为了激活P元件的转位，携带P元件的果蝇菌株与不携带P元件的菌株杂交。遗传杂交会导致后代中P元件的不稳定和移位，最终P元件在随机基因中转移到新的位置。

小鼠的靶向诱变

随着哺乳动物基因操作技术的进步，科学家可以用突变版本精确替换已知的正常基因。产生突变小鼠菌株的过程涉及两个步骤。首先，利用同源重组在胚胎干细胞中特定的染色体基因上进行替换；然后，将修饰后的细胞系整合到胚胎的生殖细胞群中（见图2.5.1f）。

首先需要克隆目标基因并使其发生突变，然后引入选择性标记（通常是耐药性基因）到突变片段中。将改变后的基因引入胚胎干细胞，并分离出包含这些改变基因的细胞克隆。对每个克隆的DNA样本进行测试，以确定突变基因已整合到特定的同源位点而不是其他随机位点。

一旦鉴定出合适的细胞克隆，便在胚泡阶段（受精后3至4天）将这些细胞注射到小鼠胚胎中。胚胎被重新植入经过激素准备的雌性体内，允许其正常发育。得到的胚胎是由干细胞系和宿主胚胎混合形成的嵌合体。

小鼠的胚胎干细胞有能力参与发育的各个方面，包括生殖系。注射的细胞可以成为生殖细胞，并将改变后的基因传递给后代小鼠。这项技术已被广泛用于研究与神经系统发育或功能相关的各种基因。

限制基因敲除与调控转基因表达

为了提高基因敲除技术的应用效果，研究人员开发了将基因缺失限制在特定组织或发育阶段的技术。区域限制的一种方法是使用Cre/loxP系统。Cre/loxP系统是一种来源于P1噬菌体的位点特异性重组系统，其中噬菌体酶Cre重组酶催化34bp loxP识别序列之间的重组。这些序列可以通过同源重组插入到胚胎干细胞的基因组中，位于目标基因（称为floxed基因）的外显子两侧。当干细胞被注射到胚胎中时，最终可以培育出含有floxed基因的小鼠，这些基因在所有细胞中仍然活跃。

接下来，可以产生表达Cre重组酶的第二批转基因小鼠，它们在神经启动子序列的控制下表达Cre酶，这些序列通常只在大脑的特定区域中表达。通过将这两种小鼠杂交，感兴趣的基因只会在表达Cre转基因的细胞中被删除。

例如，在图2.5.2A中，编码N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体NR1亚基的基因被loxP元件夹住，然后将这种基因与在钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶2启动子控制下表达Cre重组酶的小鼠杂交。这个启动子通常在前脑神经元中表达，因此导致海马CA1区NR1亚基的选择性缺失（见图2.5.2B）。由于钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶2启动子只在出生后激活基因转录，这种策略可以最大限度地减少早期发育变化的影响。

除了区域限制外，对基因表达时间的控制为研究人员提供了更大的灵活性，并能够排除转基因引起发育缺陷的可能性。这可以通过构建可由药物控制开启或关闭的基因来实现。

这种方法的第一步是创建两个小鼠品系。品系1携带一个特殊的转基因，该转基因受四环素反应元件启动子的控制，而该启动子通常只存在于细菌中。这个启动子本身无法启动基因表达；它需要由特定的转录调节因子激活。因此，第二组小鼠表达另一种转基因，该转基因编码一种杂交转录因子——四环素激活因子（tTA），它能识别并结合四环素反应元件启动子。tTA的表达可以置于小鼠基因组中的特定启动子控制下，该启动子通常只在特定类别的神经元或大脑区域中激活基因转录。

当这两种小鼠交配时，一些后代将同时携带这两种转基因。在这些小鼠中，tTA与四环素反应元件启动子结合并激活下游的转基因表达。tTA特别有用，因为它在与四环素类抗生素结合时会失活，从而通过给小鼠服用抗生素来调节转基因的表达。还可以创建表达一种称为反向四环素激活因子（rtTA）的突变形式的小鼠。在这种情况下，转基因通常是关闭的，除非给小鼠喂食抗生素多西环素（见图2.5.3）。

核糖核酸干扰和CRISPR改变基因功能

最后，研究人员还可以使用现代分子工具靶向并灭活基因。一种方法是核糖核酸干扰（RNAi），该方法利用了真核细胞中大多数双链RNA被常规降解的机制。即使RNA只有一部分是双链的，整个RNA也会被降解。通过引入一个短的RNA序列，人为地使选定的mRNA形成双链，研究人员可以激活这一过程，从而降低特定基因的mRNA水平。

通过将DNA注射到新受精卵的细胞核中，可以在小鼠体内实验性地引入基因（见图2.5.4）。在一些注射的卵子中，新的基因或转基因会随机整合到染色体上的某个位置。由于胚胎处于单细胞阶段，这个整合的基因会在细胞分裂过程中被复制，最终进入动物的所有（或几乎所有）细胞，包括生殖细胞。

例如，通过将用于产生色素的基因注射到来自白化病菌株的受精卵中，可以恢复小鼠的外观颜色。有色素斑块的小鼠表明DNA成功整合并表达。通过测试注射后动物的DNA样本，可以确认转基因的存在。

在果蝇中也使用了类似的方法。研究人员将待注射的DNA克隆到可转座元件（P元件）中。当注射到胚胎中时，这些DNA被插入到生殖细胞核的DNA中。P元件可以被设计为在特定时间和特定细胞中表达基因。转基因可以是恢复突变体功能的野生型基因，或者是设计用来改变其他基因表达或编码特定变异蛋白质的基因。

我们对昼夜节律行为调控的遗传基础有了特别深入的认识。动物的昼夜节律将某些行为与大约24小时的周期同步，这个周期与太阳的升起和落下相协调。昼夜节律的核心是一个内在的生物钟，它以24小时为周期振荡。由于这个生物钟具有内在的周期性，即使在没有光照或其他环境影响的情况下，昼夜节律行为也能持续存在。

生物钟可以被重置，因此当昼夜循环发生变化时，内在振荡器也会相应调整，这就是旅行者时差反应的生物学基础。光信号通过眼睛传递到大脑，重新设定生物钟，最终驱动特定的行为模式，如睡眠和运动。

图 2.5.1: 突变小鼠菌株的生成过程。

A. 生成具有特定靶向突变的小鼠胚胎干细胞。

B. 利用经过基因修改的胚胎干细胞来创造转基因小鼠。

图 2.5.2: Cre/loxP 系统用于选择性区域基因敲除。

A. 培育了一种小鼠品系，其中编码 N-甲基-D-天冬氨酸受体 NR1 亚基的基因被 loxP 元件包围（转基因小鼠品系 1）。这些“floxed NR1”小鼠随后与第二种小鼠品系杂交，该品系在特定细胞或组织类型中表达 Cre 重组酶（转基因小鼠品系 2）。在这个例子中，Cre 基因的表达由钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 2a 启动子驱动。在携带 Cre 重组酶转基因且为 Floxy 基因纯合的后代中，Cre 介导的 loxP 重组将删除 Floxy 基因，且这一过程仅发生在表达 Cre 的细胞类型中。

B. 通过原位杂交检测野生型和突变小鼠海马切片中 NR1 亚基的 mRNA 表达情况。结果显示，突变小鼠的海马阿蒙角 1 区中 NR1 的 mRNA 表达（暗染色）显著减少，而在阿蒙角 3 和齿状回区则保持正常。

图 2.5.3: 四环素系统用于转基因表达的时间和空间调控。

培育了两个独立的转基因小鼠品系。一个品系在钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 2a 启动子的控制下表达四环素激活因子，这是一种经过工程改造的蛋白质，能够结合并识别细菌四环素反应元件。第二个品系携带一个受四环素反应元件控制的感兴趣的转基因（在此例中为一种组成型活性的钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 2），这种激酶在没有 Ca²⁺ 的情况下仍能保持活性。当这两个品系交配后，后代的小鼠在前脑中以特定模式表达四环素激活因子蛋白。当四环素激活因子蛋白与四环素反应元件结合时，便会激活下游转基因的表达。通过给这些小鼠服用四环素（或多西环素），可以使四环素激活因子蛋白发生构象变化，解除与四环素反应元件的结合，从而阻断转基因的表达。通过这种方式，小鼠可以在前脑中表达钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 2–Asp286，并通过施用多西环素来控制这种表达。

图 2.5.4: 转基因小鼠和果蝇的生成。

在此，注射到小鼠体内的基因会引起毛色的变化，而注射到果蝇体内的基因则会引起眼睛颜色的变化。在这两种物种的一些转基因动物中，DNA 被插入到不同细胞的不同染色体位点（见底部插图）

本泽的团队筛选了数千只突变果蝇，寻找那些由于基因突变而无法遵循昼夜节律的罕见个体。这项研究首次揭示了生物钟的分子机制。周期（per）基因的突变影响了果蝇内部时钟的所有昼夜节律行为。

有趣的是，per基因突变可以通过多种方式改变生物钟（见图2.5.5）。无节律突变的果蝇在任何行为中都没有表现出明显的内在节律，这表明per基因对节律行为至关重要。那些仍保留部分基因功能的突变会导致异常的节律，例如长日等位基因导致28小时的周期，而短日等位基因则产生19小时的周期。因此，per基因不仅是时钟的关键组成部分，它还像一个计时器，调控着时钟的运行速度。

更为重要的是，per基因突变体除了昼夜节律行为的改变外，并没有表现出其他显著的不利影响。这一发现非常重要，因为在此之前，许多人质疑是否存在仅影响行为而不影响动物生理的“行为基因”。per基因显然就是这样一种“行为基因”。

那么，per基因如何发挥计时作用呢？其蛋白质产物——周期蛋白（PER）是一种转录调控因子，能够影响其他基因的表达。周期蛋白的水平在一天中受到严格调控。清晨，周期蛋白及其mRNA水平较低，随着一天的进程，周期蛋白及其mRNA逐渐积累，并在黄昏后和夜间达到峰值，然后在下一个黎明前下降。这些发现揭示了昼夜节律的核心机制，即一个中央调节器在一天中周期性出现和消失。然而，这也引发了进一步的问题：是什么驱动了周期蛋白的循环？对此的答案依赖于额外的时钟基因的发现，这些基因在果蝇和小鼠中都已被鉴定。

受到果蝇昼夜节律筛查成功的启发，约瑟夫·高桥在1990年代开展了类似但更为复杂的小鼠遗传筛选研究。他筛选了数百只突变小鼠，寻找那些昼夜活动周期发生改变的罕见个体，并最终发现了一个他称之为“时钟基因”的突变。当时钟基因突变的纯合小鼠被置于持续黑暗的环境中时，它们最初经历了极长的昼夜周期，随后完全失去了昼夜节律（见图2.5.6）。因此，时钟基因似乎调节着昼夜节律的两个关键特性：周期的长度和在缺乏环境信号时维持节律的能力。这些特性与果蝇中的节律基因相似。

小鼠的时钟基因与果蝇的节律基因一样，编码一种在一天中波动的转录调节因子。小鼠的时钟蛋白与果蝇的周期蛋白共享一个称为PAS结构域的特征，这是一类转录调节因子的标志。这一发现表明，类似的分子机制（通过PAS结构域的转录调节振荡）控制着果蝇和小鼠的昼夜节律。

更为重要的是，针对果蝇和小鼠的平行研究显示，这两种动物的生物钟受相似的转录调节因子组的影响。在克隆小鼠时钟基因后，研究者们克隆了一个果蝇的昼夜节律基因，发现它与小鼠的时钟基因关系比与节律基因更为密切。在另一项研究中，研究者鉴定出一种与果蝇节律基因相似的小鼠基因，并通过反向遗传学使其失活。突变的小鼠表现出与果蝇每个基因突变体相似的昼夜节律缺陷。换句话说，果蝇和小鼠都依赖时钟基因和节律基因来控制它们的昼夜节律。一组基因，而不仅仅是一个基因，构成了生物钟的保守调节器。这些基因的特性揭示了昼夜节律的分子机制，并生动地展示了这些机制在果蝇和小鼠之间的相似性。

在果蝇和小鼠中，时钟蛋白都充当转录激活因子。它与一个伴侣蛋白一起控制着决定行为（如活动水平）的基因转录。时钟蛋白及其伙伴还刺激节律基因的转录。然而，周期蛋白会抑制时钟蛋白对节律基因表达的激活作用，因此随着周期蛋白的积累，节律基因的转录逐渐减少（见图2.5.7）。24小时周期的形成是因为周期蛋白的积累和激活在节律基因转录后延迟了数小时，这一过程受周期蛋白的磷酸化、不稳定性及其与其他循环蛋白的相互作用所调控。

节律基因、时钟基因及其相关基因的分子特性为昼夜节律提供了所有必要的功能：

1. 昼夜节律基因的转录随着24小时的周期而变化：夜间周期蛋白活性较高，而时钟蛋白在白天的活性较高。

2. 昼夜节律基因是相互作用的转录因子，它们通过调节信使RNA水平产生振荡。时钟蛋白激活转录，而周期蛋白则抑制时钟蛋白的功能。

3. 昼夜节律基因还调控其他基因的转录，这些基因随后影响多种下游反应。例如，在果蝇中，神经肽基因控制着运动活动水平。

4. 这些基因的振荡可以通过光照来重置。

2017年，杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·杨因对这一分子时钟机制的详细阐释而获得诺贝尔生理学或医学奖。

图 2.5.5：单个基因控制果蝇行为的昼夜节律。per 基因的突变会影响果蝇内部生物钟调节的所有昼夜节律行为。

A. 正常果蝇和per 基因突变体（短日照、长日照和无节律）三种品系的活动节律。在将果蝇从12小时光照和12小时黑暗的循环环境转移到持续黑暗后，通过红外光监测它们的活动。记录中的粗线段表示活动。

B. 正常成年果蝇群体以周期性的方式从蛹壳中出现，即使在持续黑暗中也是如此。图中显示了在持续黑暗的4天期间，每小时出现的果蝇数量（来自四个不同群体）。无节律突变体群体在黑暗中没有表现出可辨别的节律。

图 2.5.6：时钟基因对小鼠昼夜节律的调控。记录显示了三种类型小鼠的活动周期：野生型、杂合型和纯合型。所有小鼠在前7天经历12小时的光暗循环，然后转移到持续黑暗的环境中。之后，它们被暴露在6小时的光照周期中，以重置其节律。野生型小鼠的昼夜节律周期为23.1小时。杂合型时钟基因小鼠的周期为24.9小时，而纯合型时钟基因小鼠在转移到持续黑暗时完全丧失了昼夜节律，并在光照期后短暂表现出28.4小时的节律。

图 2.5.7：驱动昼夜节律的分子机制。生物钟基因受两种核蛋白——周期蛋白（PER）和无节律蛋白（TIM）的调节。这些蛋白质逐渐积累，并相互结合形成二聚体。一旦形成二聚体，它们便进入细胞核并关闭包括它们自身在内的昼夜节律基因的表达。这一过程通过抑制时钟蛋白（CLOCK）和CYCLE蛋白的作用来实现，它们是驱动节律基因和无节律基因转录的关键因子。周期蛋白非常不稳定，大部分在降解前未能抑制由时钟蛋白介导的基因转录。周期蛋白的降解由多种蛋白激酶通过磷酸化事件调控。当周期蛋白与无节律蛋白结合时，它们相互保护，避免降解。随着时钟蛋白驱动更多节律基因和无节律基因的表达，足够的周期蛋白和无节律蛋白最终积累并形成稳定的二聚体，进入细胞核抑制它们自身的转录。结果，节律基因和无节律基因的mRNA水平下降；随后，周期蛋白和无节律蛋白的水平也下降，时钟蛋白可以再次驱动节律基因和无节律基因的表达。在白天，无节律蛋白通过光调节信号通路（包括隐花色素）降解，因此周期蛋白/无节律蛋白复合物只在夜间形成。时钟蛋白诱导周期蛋白和无节律蛋白的表达，但这些蛋白质随后会抑制时钟蛋白的功能。

相同的遗传网络也控制着人类的昼夜节律。患有晚期睡眠相位综合症的人通常有较短的20小时周期，并表现出极端早睡早起的“晨型人”特征。路易斯·普塔切克和傅颖慧发现，这些个体在人类per基因上存在突变。这些研究结果表明，从昆虫到人类，行为基因在进化上是保守的。晚期睡眠相位综合症在第44章的睡眠部分进行了详细讨论。

在前面描述的昼夜节律研究中，科学家们通过随机诱变来识别与生物过程相关的基因。所有正常个体都具有功能性的节律基因、时钟基因和相关基因；而只有在诱变处理后，才会产生不同的等位基因。然而，另一个更微妙的问题是，哪些遗传变化可能导致正常个体间的行为差异。玛尔拉·索科洛夫斯基及其同事的研究首次鉴定出了与自然个体行为差异相关的基因。

果蝇幼虫在活动水平和运动方式上存在差异。一些幼虫被称为“漫游者”，它们会长距离移动（见图2.5.8），而另一些幼虫则被称为“守家者”，它们相对静止。野外分离的果蝇幼虫可能是“漫游者”或“守家者”，这表明这些差异是自然变异的结果，而非实验室诱导的突变。这些特征是可遗传的；“漫游者”父母的后代大多是“漫游者”，“守家者”父母的后代大多是“守家者”。

图 2.5.8：索科洛夫斯基通过不同野生果蝇的杂交实验，研究了“漫游者”和“守家者”幼虫之间的遗传差异。结果表明，这种差异主要由一个基因决定，即觅食基因座。觅食基因编码一种信号转导酶，这种酶由细胞代谢物环鸟苷-3,5-单磷酸（cGMP）激活。因此，这种自然行为差异源于信号转导途径的调控变化。许多神经元功能受蛋白激酶调节，例如由觅食基因编码的cGMP依赖性激酶。像蛋白激酶这样的分子在将短期神经信号转化为神经元或神经回路的长期特性变化中起着关键作用。

为什么在野生果蝇种群中保留了这种信号酶的变异性，既有“漫游者”也有“守家者”？答案在于环境变化带来的选择压力。拥挤的环境有利于“漫游者”幼虫，它们能够比竞争对手更有效地移动到新的、未被利用的食物源；而在稀疏的环境中，“守家者”幼虫更彻底地利用现有食物源，因此更具优势。

觅食基因也存在于蜜蜂中。蜜蜂在其生命周期的不同阶段表现出不同的行为；通常，年轻的蜜蜂承担护理任务，而年长的蜜蜂则成为觅食者，离开蜂巢。觅食基因在活跃的觅食蜜蜂大脑中高度表达，而在年轻且较少活动的护理蜜蜂中则表现较低。环鸟苷-3,5-单磷酸（cGMP）信号传导在年轻的蜜蜂中可能促使它们过早进入觅食阶段，这种变化可能由环境刺激或蜜蜂的年龄增长引起。

因此，同一个基因以不同方式调控了两种不同昆虫的行为变异。在果蝇中，行为变异表现为不同个体之间的差异；而在蜜蜂中，这种变异表现为同一只蜜蜂在不同年龄阶段的行为差异。这种差异展示了重要的调控基因如何在不同物种的不同行为策略中发挥作用。

行为的许多方面都与动物与其他动物的社会互动有关。社会行为在不同物种间差异很大，但在一个物种内，它具有很大的先天成分，这部分是由遗传控制的。在秀丽隐杆线虫这种圆虫中，研究者分析了一种简单的社会行为形式。这些动物生活在土壤中，以细菌为食。

不同的野生型菌株在进食行为上表现出显著差异。来自标准实验室株的动物倾向于独居，它们分散在细菌食物形成的草坪上，并且不与彼此互动。而其他株系的动物则展现出群居进食模式，会加入由数十或数百只动物组成的大型进食群体（图2.5.9）。这些株系之间的差异是遗传的，因为这两种进食模式都是稳定遗传的。

图 2.5.9：秀丽隐杆线虫的进食行为取决于编码神经肽受体的基因活性。在一个品系中，个体蠕虫在孤立状态下单独觅食（左图），而在另一个品系中，个体则倾向于聚集在一起觅食。这种差异可以通过神经肽受体基因中的单个氨基酸替换来解释。

神经肽受体也与哺乳动物社会行为的调节有关。神经肽催产素和加压素刺激哺乳动物的亲和行为，例如配对结合和父母与后代的结合。在小鼠中，催产素对社会认知是必需的，即识别熟悉的个体。催产素和加压素在草原田鼠中已被深入研究，这些啮齿动物会形成持久的配对关系来抚养它们的幼崽。在交配期间，雌性草原田鼠大脑中释放的催产素会促进配对关系的形成。同样，在交配期间，雄性草原田鼠大脑中释放的加压素也会促进配对关系和父性行为的形成。

不同哺乳动物物种之间的配对关系强度存在显著差异。雄性草原田鼠与雌性建立长期配对关系，并帮助抚养后代，因此被描述为一夫一妻制。而与其密切相关的雄性山地田鼠则表现为广泛交配，并且不参与抚养后代的行为。这些物种间雄性行为的差异与大脑中血管加压素受体的表达水平有关。在草原田鼠中，血管加压素受体在腹侧苍白球这一特定大脑区域中高度表达（见图2.5.10），而在山地田鼠中，这一区域的表达水平则低得多，尽管其他大脑区域的表达水平较高。

催产素和加压素及其受体的重要性已通过小鼠的反向遗传学研究得到了证实和扩展。这些研究比在田鼠上的研究更容易进行基因操作。例如，将草原田鼠的血管加压素受体基因引入行为更类似山地田鼠的雄性小鼠体内，结果显示，这些小鼠在腹侧苍白球中的血管加压素受体表达增加，雄性小鼠对雌性的亲和行为也随之增强。因此，不同物种间加压素受体表达模式的差异可能是导致社会行为差异的关键因素。

对不同啮齿动物中血管加压素受体的分析为我们提供了关于基因和行为在进化过程中如何发生变化的重要见解。腹侧前脑V1a加压素受体表达模式的进化改变了神经回路的活动，将腹侧前脑的功能与交配时激活的加压素分泌神经元的功能联系起来，进而改变了社会行为。

虽然催产素和加压素在人类社会行为中的作用尚未完全明确，但它们在哺乳动物中对配对结合和抚养后代的核心作用暗示，这些分子可能在人类中也发挥类似的作用。

图 2.5.10：血管加压素受体在两种亲缘关系密切的啮齿动物中的分布差异。

A. 在山地田鼠的外侧隔核中，受体表达较高，但在腹侧苍白球中表达较低，这种模式不形成配对键。

B. 在一夫一妻制的草原田鼠中，受体在腹侧苍白球中的表达较高。受体在腹侧苍白球中的表达使血管加压素能够将社会认知通路与奖赏通路连接起来。