尋找控制語言的基因

我們差不多已經完成了這趟大腦之旅，但別忘了，還有一個更細微的層面在等著我們，那就是分子層面。接下來我們準備動身去往遺傳學的領地，那兒可是個熱鬧的地方。其實，我們目前為止討論的一切東西，它們之所以變成那個樣子，全是因為該物種的DNA把它們編碼成了那樣。歸根究底，人類大腦的獨特性，來自人類獨特的DNA序列。人類和黑猩猩基因組的成功排序，以及比較基因學這一新領域的蓬勃發展，讓我們得以一窺表型特性（即可見的生理或生物化學特征）差異的遺傳學基礎。在你興高采烈，覺得謎底即將揭曉的時候，請允許我與你分享如下引文：“物種形成后的遺傳變化及其生物學結果似乎比最初假設得更為復雜?！蹦悴恢绬?？那讓我們來看一種基因，看看它看似簡單的變化會有多復雜。

我們得稍微了解一下基因是什么，是做什么的?；蛑傅氖侨旧w特定位置上的一段DNA。每個基因都是由DNA的編碼序列和調控序列構成的，編碼序列決定蛋白質的結構，調控序列控制蛋白質的生產時間和位置。基因支配著細胞的結構和新陳代謝功能。生殖細胞中的基因把自己的信息遺傳給下一代。每個物種的每一條染色體上均有數量明確的基因，基因排列順序也是確定的。任何變動都會導致該染色體突變，但突變并不一定會對生物體造成影響。有趣的是，真正為蛋白質編碼的DNA很少。跟染色體交織在一起的還有大量非編碼DNA序列（約占總數的98%），我們目前尚未弄清它們的作用。好了，現在我們可以回到正題了。

HUMAN

認識人類

故事開始于英國的一家診所，那兒的醫生正為一個獨特的家族（稱作KE家族）治病，這家人的不少成員都患有嚴重的言語和語言失調病癥。他們很難控制面部和口部的復雜協同運動，這妨礙了說話。此外，他們還有很多口頭和書面語言上的問題，比如難以理解語法結構復雜的句子，無法根據語法規則處理詞語，平均智商低于未患病的家族成員。這家人被介紹到了牛津大學韋爾科姆基金會人類遺傳學中心（Wellcome Trust Centre for Human Genetics），該中心的研究人員查閱了族譜，發現這是一種遺傳模式很簡單的疾病，和其他一些患有語言障礙的家族不同（這些家族的遺傳問題要復雜得多）。KE家族在一個常染色體顯性基因上存在缺陷。這就意味著，出現這種基因突變的人，有50%的概率把它遺傳給下一代。

研究人員繼續調查，把范圍縮小到7號染色體上的一段區域，其中包含了50～100個基因。接下來的事情完全是因為運氣好，有一位與KE家族無關的患者也患有類似的語言問題，也被送到了該中心。他患有一種名為“易位”的染色體異常病癥，兩條不同染色體的末端片段斷裂并交換了位置。其中一條染色體是7號染色體，斷點的位置剛好處于跟KE家族問題相關的那一區。人們分析了KE家族7號染色體上處于該位置的基因，發現了一個突變的堿基對：本來應該是鳥嘌呤的地方變成了腺嘌呤，在其他364名正常對照組中都沒有發現這一堿基對突變。根據預測，這種突變使得蛋白質發生了變化，在FOXP2蛋白的叉頭型DNA結合域，組氨酸替代了精氨酸。導致KE家族問題的罪魁禍首，就是這一名為“FOXP2突變”的基因突變。

怎么會這樣呢？這么一丁點兒的變化，為何會造成這么大的破壞呢？深深吸一口氣，慢慢呼出來。很好，現在你已經準備好了。叉頭框（FOX）基因有很多種，是一個基因大家族，專為有著叉頭框結構域的蛋白編碼。叉頭框指的是80～100個氨基酸組成一個特殊的形狀，像鑰匙插進鎖里那樣，跟DNA的特定區域結合在一起。一旦契合，FOX蛋白就會規定目標基因的表達。精氨酸被換掉，改變了FOXP2蛋白的形狀，使其無法再跟DNA結合，鑰匙打不開鎖了。

FOX蛋白是一種轉錄因子。轉錄因子又是什么？請記住，基因有編碼區和調控區。編碼區是蛋白質結構的配方，為了生成蛋白質，DNA序列中的配方必須首先復制到信使RNA的中介副本中，通過名為轉錄的精心控制過程，得到蛋白質的生產模板。調控區決定生產多少份信使RNA副本，也決定了蛋白質的數量。轉錄因子是一種蛋白質，跟其他基因們（請注意我在這里使用了復數，也就是說，它影響多至上千個基因，而不是僅僅一個）的調控區相結合，調節其轉錄水平。有著叉頭型結合域的轉錄因子只針對特定的DNA序列，不能不加選擇地隨意結合，目標的選擇取決于叉頭的形狀和細胞環境，既可能增加轉錄，也可能減少轉錄。一個轉錄因子的缺失就可能影響到其他的基因，至于到底有多少基因會受影響，數量無法確定，有可能很大。你可以把轉錄因子想象成一個開關，它為特定數量的基因開啟或關閉其基因表達。這些基因的數量有時很少，有時也可能多至2 500個。如果叉頭型蛋白不能跟一條DNA鏈的調控區結合，生產該區域編碼DNA的開關就無法開啟或關閉。許多叉頭型蛋白是胚胎發育的關鍵調控員，它們負責將未分化的細胞變成專門的組織或器官。

回到FOXP2蛋白，這是一種會影響到大腦、肺、腸道、心臟和人體其他部位組織的轉錄因子，該基因的突變只影響到了KE家族的大腦。請記住，每對染色體有兩個副本，KE家族的患病成員有一個正常的副本和一個變異的副本。研究人員假設，在神經形成的某個階段中，FOXP2蛋白數量的減少會導致事關言語和語言的神經結構出現畸形，而正常的染色體副本所生產的FOXP2蛋白數量足以讓其他組織完成發育。

倘若FOXP2基因對語言的發育這么重要，那么它是人類所獨有的嗎？這個問題非常復雜，涉及研究基因的遺傳學和研究基因表達的基因組學之間的巨大區別。大量哺乳動物都有FOXP2基因，由FOXP2基因編碼的蛋白在人類和老鼠中只有三個氨基酸不同。研究人員發現，這三個不同的氨基酸，有兩個出現在人跟黑猩猩在進化道路上分道揚鑣之后。因此，人類確實有一種獨特的FOXP2基因，產生獨特的FOXP2蛋白。人類基因的兩個突變改變了蛋白質的結合特性，這可能對其他基因的表達造成了巨大影響。據估計，這兩個突變出現在過去20萬年中，它們經歷了加速進化和正向選擇。不管它們到底做了些什么，總歸給人類帶來了競爭優勢。更重要的是，這段時間剛好跟人類口頭語言的出現期相吻合。

這就是關鍵嗎？就是這個基因負責言語和語言的編碼嗎？這樣吧，我再分享一份比較研究。根據這份研究，和黑猩猩相比，人類大腦皮層91%的基因都存在不同的表達，其中90%得到了明顯優化，也就是說，人類的表達水平增強了。這些基因有著不同的功能，有些為神經系統正常發育所需，有些跟神經信號及活動增多有關，有些負責調節能量傳輸的增強，還有些功能不明。最有可能的情況是，FOXP2基因只是語言功能眾多變化中的一分子，但這引出了更多的問題。這種基因是做什么用的？它還會影響其他哪些基因？人類和黑猩猩之間的兩點突變差異真的在回路或肌肉功能上造成了重大變化嗎？如果確實如此，是怎樣造成的呢？

故事到此尚未結束。神經科學家帕什科·拉基奇介紹了人類大腦形成中的另一些新特點。2006年夏天，拉基奇和同事們描述了新的“前身細胞”，它在局部神經形成的過程中早于其他細胞出現。目前還沒有證據證明其他動物也有這種細胞。