寻找控制语言的基因

我们差不多已经完成了这趟大脑之旅，但别忘了，还有一个更细微的层面在等着我们，那就是分子层面。接下来我们准备动身去往遗传学的领地，那儿可是个热闹的地方。其实，我们目前为止讨论的一切东西，它们之所以变成那个样子，全是因为该物种的DNA把它们编码成了那样。归根究底，人类大脑的独特性，来自人类独特的DNA序列。人类和黑猩猩基因组的成功排序，以及比较基因学这一新领域的蓬勃发展，让我们得以一窥表型特性（即可见的生理或生物化学特征）差异的遗传学基础。在你兴高采烈，觉得谜底即将揭晓的时候，请允许我与你分享如下引文：“物种形成后的遗传变化及其生物学结果似乎比最初假设得更为复杂。”你不知道吗？那让我们来看一种基因，看看它看似简单的变化会有多复杂。

我们得稍微了解一下基因是什么，是做什么的。基因指的是染色体特定位置上的一段DNA。每个基因都是由DNA的编码序列和调控序列构成的，编码序列决定蛋白质的结构，调控序列控制蛋白质的生产时间和位置。基因支配着细胞的结构和新陈代谢功能。生殖细胞中的基因把自己的信息遗传给下一代。每个物种的每一条染色体上均有数量明确的基因，基因排列顺序也是确定的。任何变动都会导致该染色体突变，但突变并不一定会对生物体造成影响。有趣的是，真正为蛋白质编码的DNA很少。跟染色体交织在一起的还有大量非编码DNA序列（约占总数的98%），我们目前尚未弄清它们的作用。好了，现在我们可以回到正题了。

HUMAN

认识人类

故事开始于英国的一家诊所，那儿的医生正为一个独特的家族（称作KE家族）治病，这家人的不少成员都患有严重的言语和语言失调病症。他们很难控制面部和口部的复杂协同运动，这妨碍了说话。此外，他们还有很多口头和书面语言上的问题，比如难以理解语法结构复杂的句子，无法根据语法规则处理词语，平均智商低于未患病的家族成员。这家人被介绍到了牛津大学韦尔科姆基金会人类遗传学中心（Wellcome Trust Centre for Human Genetics），该中心的研究人员查阅了族谱，发现这是一种遗传模式很简单的疾病，和其他一些患有语言障碍的家族不同（这些家族的遗传问题要复杂得多）。KE家族在一个常染色体显性基因上存在缺陷。这就意味着，出现这种基因突变的人，有50%的概率把它遗传给下一代。

研究人员继续调查，把范围缩小到7号染色体上的一段区域，其中包含了50～100个基因。接下来的事情完全是因为运气好，有一位与KE家族无关的患者也患有类似的语言问题，也被送到了该中心。他患有一种名为“易位”的染色体异常病症，两条不同染色体的末端片段断裂并交换了位置。其中一条染色体是7号染色体，断点的位置刚好处于跟KE家族问题相关的那一区。人们分析了KE家族7号染色体上处于该位置的基因，发现了一个突变的碱基对：本来应该是鸟嘌呤的地方变成了腺嘌呤，在其他364名正常对照组中都没有发现这一碱基对突变。根据预测，这种突变使得蛋白质发生了变化，在FOXP2蛋白的叉头型DNA结合域，组氨酸替代了精氨酸。导致KE家族问题的罪魁祸首，就是这一名为“FOXP2突变”的基因突变。

怎么会这样呢？这么一丁点儿的变化，为何会造成这么大的破坏呢？深深吸一口气，慢慢呼出来。很好，现在你已经准备好了。叉头框（FOX）基因有很多种，是一个基因大家族，专为有着叉头框结构域的蛋白编码。叉头框指的是80～100个氨基酸组成一个特殊的形状，像钥匙插进锁里那样，跟DNA的特定区域结合在一起。一旦契合，FOX蛋白就会规定目标基因的表达。精氨酸被换掉，改变了FOXP2蛋白的形状，使其无法再跟DNA结合，钥匙打不开锁了。

FOX蛋白是一种转录因子。转录因子又是什么？请记住，基因有编码区和调控区。编码区是蛋白质结构的配方，为了生成蛋白质，DNA序列中的配方必须首先复制到信使RNA的中介副本中，通过名为转录的精心控制过程，得到蛋白质的生产模板。调控区决定生产多少份信使RNA副本，也决定了蛋白质的数量。转录因子是一种蛋白质，跟其他基因们（请注意我在这里使用了复数，也就是说，它影响多至上千个基因，而不是仅仅一个）的调控区相结合，调节其转录水平。有着叉头型结合域的转录因子只针对特定的DNA序列，不能不加选择地随意结合，目标的选择取决于叉头的形状和细胞环境，既可能增加转录，也可能减少转录。一个转录因子的缺失就可能影响到其他的基因，至于到底有多少基因会受影响，数量无法确定，有可能很大。你可以把转录因子想象成一个开关，它为特定数量的基因开启或关闭其基因表达。这些基因的数量有时很少，有时也可能多至2 500个。如果叉头型蛋白不能跟一条DNA链的调控区结合，生产该区域编码DNA的开关就无法开启或关闭。许多叉头型蛋白是胚胎发育的关键调控员，它们负责将未分化的细胞变成专门的组织或器官。

回到FOXP2蛋白，这是一种会影响到大脑、肺、肠道、心脏和人体其他部位组织的转录因子，该基因的突变只影响到了KE家族的大脑。请记住，每对染色体有两个副本，KE家族的患病成员有一个正常的副本和一个变异的副本。研究人员假设，在神经形成的某个阶段中，FOXP2蛋白数量的减少会导致事关言语和语言的神经结构出现畸形，而正常的染色体副本所生产的FOXP2蛋白数量足以让其他组织完成发育。

倘若FOXP2基因对语言的发育这么重要，那么它是人类所独有的吗？这个问题非常复杂，涉及研究基因的遗传学和研究基因表达的基因组学之间的巨大区别。大量哺乳动物都有FOXP2基因，由FOXP2基因编码的蛋白在人类和老鼠中只有三个氨基酸不同。研究人员发现，这三个不同的氨基酸，有两个出现在人跟黑猩猩在进化道路上分道扬镳之后。因此，人类确实有一种独特的FOXP2基因，产生独特的FOXP2蛋白。人类基因的两个突变改变了蛋白质的结合特性，这可能对其他基因的表达造成了巨大影响。据估计，这两个突变出现在过去20万年中，它们经历了加速进化和正向选择。不管它们到底做了些什么，总归给人类带来了竞争优势。更重要的是，这段时间刚好跟人类口头语言的出现期相吻合。

这就是关键吗？就是这个基因负责言语和语言的编码吗？这样吧，我再分享一份比较研究。根据这份研究，和黑猩猩相比，人类大脑皮层91%的基因都存在不同的表达，其中90%得到了明显优化，也就是说，人类的表达水平增强了。这些基因有着不同的功能，有些为神经系统正常发育所需，有些跟神经信号及活动增多有关，有些负责调节能量传输的增强，还有些功能不明。最有可能的情况是，FOXP2基因只是语言功能众多变化中的一分子，但这引出了更多的问题。这种基因是做什么用的？它还会影响其他哪些基因？人类和黑猩猩之间的两点突变差异真的在回路或肌肉功能上造成了重大变化吗？如果确实如此，是怎样造成的呢？

故事到此尚未结束。神经科学家帕什科·拉基奇介绍了人类大脑形成中的另一些新特点。2006年夏天，拉基奇和同事们描述了新的“前身细胞”，它在局部神经形成的过程中早于其他细胞出现。目前还没有证据证明其他动物也有这种细胞。