花心生物学 （一） Wing，北京生命科学研究所研究人员 众所周知，有的人到处约炮，有的人非常专一。在某些社会中，男人可以娶四个老婆；在另一些社会中，只允许一夫一妻；还有一些社会形式里，一个妻子可以有多个丈夫。究竟这些人类行为和社会组织的差异，是文化差异和后天教育因素导致的，还是天生的呢？由于人类天然的八卦心理，这显然构成了一个非常有趣的问题。 很容易想到，在人类研究里面，文化差异的影响无法被完全去除。因此，要说明“天生花心”或者“天生专一”是有可能的，我们必须先研究完全没有文化的东西。显然，动物就是这样的一种研究对象（……）在大自然里，绝大部分动物都没有专一配偶机制，只有鸟类和部分哺乳动物表现出专偶特征。比如，大家喜闻乐见的企鹅就很专一。不过这也不是和人想象的一样，一辈子只爱一个。一般等后代离开双亲独立生活以后，这些专偶的动物们就纷纷作鸟兽散，寻找下一个交配对象了。 （所以，人类发展出如此奇特的婚姻形式，实属独一无二。） 即使不是一辈子只配一个对象，专偶的动物和滥交的动物还是有很大的不同的。而研究这一问题，显然可以对解释人类的某些行为有所帮助。问题是，如何才能研究花心这一事件呢？首先，我们需要一个良好的样本：这意味着你不能在人、或者不知道什么地方抓来的一只什么动物身上做实验，而必须找一个“遗传可追溯”（genetically tractable）的模式动物。这个模式动物的行为应该比较稳定，也就是说，每只动物的行为，多多少少都是类似的，而这个行为特征也不能随着传代变化。否则，实验就会失去可重复性，得不出结论。其次，我们还需要另一个遗传可追溯的模式动物，但这两个模式动物的行为必须有差异。这样，通过研究动物之间的生物学差异，我们就可以逐步逼近行为的生物学本质。 显然，不能拿一个企鹅（专偶制）和一个倭黑猩猩（滥交制）来做对比。虽然这两个动物的行为模式相当稳定，而且在配偶行为之间的差异满足我们的要求，但是它们之间的差异实在是太大了。所以，我们得出了第三个条件，这两个模式动物应该进化距离足够近。在最好的情况下，我们希望它们之间没有生殖隔离。 那么，有什么动物符合我们的要求呢？幸运的是，还真存在这样的动物。在北美中部，生活着一种叫平原田鼠（Prairie vole）的老鼠。在不远处的群山中，还生活着一种叫做山田鼠（Mondane vole）的老鼠。这两种老鼠的行为很不一样：平原田鼠是一夫一妻的，在交配以后，雄性会保护雌性，为雌性寻找食物，双方还会共同筑窝，哺育后代直到它们断奶。在此期间，如果有新来的异性老鼠进入它们的窝，它们会主动攻击，根本不会和对方交配。而山田鼠则很不一样，交配以后，雄性和雌性就分道扬镳了，雄性继续去寻找下一个目标，留下雌性独自抚育后代。在抚育后代方面，山田鼠也没有平原田鼠积极。平原田鼠除了喂奶之外，还会更积极地把溜出窝的小乳鼠叼回来，还会不停地亲抚乳鼠（比如用肚子蹭、趴在小鼠上面保暖，用嘴理毛之类的）。而山田鼠在这方面的表现远没有那么积极，它能把乳鼠喂大就不错了。 现在，首先来让我们看一看，平原田鼠之所以专一，或者说，山田鼠之所以花心，是不是因为它们在小时候耳濡目染了父母的行为呢？虽然这两种田鼠的行为差异巨大，可它们在生物学上的差异却并不太显著 -- 它们不仅是长得像。事实上，把一个山田鼠的乳鼠扔给平原田鼠父母养，它也能顺利长大。不过反过来，把平原田鼠的乳鼠扔到山田鼠的窝里，基本上活不过 7 天，这也许是因为山田鼠不太注意养育后代的缘故。上世纪 80 年代，有好事者进行了这种实验。结果表明，把山田鼠扔到平原田鼠的窝里喂养，长大了以后它还是很花心。这至少说明，山田鼠的花心并不是父母教的，而是天生的。 （与此相反的是，平原田鼠养大的山田鼠，在抚养后代时更为积极。这涉及到另一个很大的领域，我们可以再开一个长篇……） 既然山田鼠的花心是天生的，那究竟是什么生物学机制，造成了这一现象呢？首先，我们应该注意到，与配偶制度有关的行为，在两性之间是有差异的。因此，控制这类行为的神经环路，也很可能具有性别差异。而且，我们前面说过，平原田鼠的一夫一妻制，首先需要两夫妻进行交配。事实上，如果没有交配过程的话，平原田鼠是不会认为对方就是自己的配偶的（真是一回生，两回熟，三回上床焗一焗啊……）。所以，控制交配的神经环路，肯定是和夫妻感情的产生有关系的。所以，在雌雄之间存在差异的、控制交配过程的神经环路，就成为了首选的研究对象。 多年以来，人们就知道在大脑里有一些区域是男女有别的，其中最明显的一类，就是加压素（argine vasopressin，AVP）和催产素（oxytocin, OT)。在大脑的 MPOA 区域，AVP 神经纤维的密度在雄性里远比雌性高[1]。研究人员知道，OT 在女性生产过程中起着很重要的作用，而 AVP 则在男性射精过程中起作用。这一类神经肽系统，无疑是我们的一个优先探索对象。 那么，这两个基因，究竟是做什么的呢？ 这两个基因，都编码一类环状九肽神经递质。实际上，在进化中，这两个基因有着共同的祖先，是同一个祖先基因复制一次的产物。它们的进化之根，相当古老。我们现在把这类神经肽，通称为 vasotocin。把河豚的 vasotocin 类基因片段（包括启动子 -- 在河豚里这基因叫 isotocin）做成转基因搞到大鼠里去，就能在转基因大鼠的 AVP 神经元里发现河豚的 isotocin [2]。所以，这是一个有着相当重要功能的神经环路。不然，它不会如此保守，在千万年的进化里，调控它表达的生物学机制没有一丝变化。 问题来了。我们希望研究的，是山田鼠和平原田鼠之间的行为差异。假如一个神经环路超级无敌保守，那它也就不可能有差异，更不可能制造行为差异。既然 vasotocin 系统相当保守，至少，编码神经递质的这些基因以及它们的调控序列，从鱼到哺乳动物都几乎没有功能差异，那么我们还怎么研究呢？ 实际上，一个神经环路，不仅仅由释放神经递质的神经元构成。神经递质是从神经元释放出来的信号分子，下一个神经元怎么解读上一个神经元传来的信息呢？这就要靠神经递质的受体（receptor）了。我们可以想象，假如一个神经元要通过 AVP 发出信号，那它的下游神经元必须得具备一个 AVP 受体，才能听懂它说什么。这就像打电话：即使有了一条畅通的电话线路，可接电话的人只能听广东话，那么一个说上海话的人是不可能送出任何有意义的信息的。有了上游的讲话的人（AVP 神经元），和下游的听话的人（AVP 受体神经元），才构成一个神经环路。现在，既然我们已经知道上游递质相当保守，那下游的受体是不是也很保守呢？ 在哺乳动物里，AVP 的受体有三个，V1aR, V1bR 和 V2R，其中 V2R 不在中枢神经系统里表达；而 OT 的受体只有一个 OTR。1990 年代初，Tom Insel 做了一系列经典的实验，发现在平原田鼠和山田鼠的脑子里面，OTR 和 V1aR 的表达都存在着巨大的差异[3]。 当年呢，用抗体来标记膜蛋白已经挺流行了。不过，生物讲师小声提醒大家，GPCR 抗体都是非常，非常，非常不靠谱的，有一位国内的学问非常认真的老师就栽过在抗体上。你以为自己看到的是你想看的那个蛋白，其实那都不知道是什么鬼屁东西。再加上，这些 vasotocin 受体的表达量本来就非常低，以致于一般的抗体技术或者原位杂交是没法看到的。最后，Insel 他们采用了一个简单粗暴、直接有效的办法：他们直接用放射性同位素标记了神经肽，然后把它往脑片上一扔，看看它能结合到哪去……据说，由于受体实在太少，有的脑片他们用碘标记以后曝光了半年……不过总之呢，数据是出来了。 碘 125-AVP 放射性结合图片。左边是平原田鼠，右边是山田鼠。可见，山田鼠的 LS（lateral septum，我实在不知道中文叫什么，放弃了，后面还有很多，反正我不认识中文的我都放弃了，别骂我）、缰核（habenula，H）、中央灰质（central grey， CG）有更多 AVP 受体。而平原田鼠结合 AVP 更多的区域则包括 DB（diagonal band，也叫 ventral pallidus VP），海马齿状回（DG，dentate gyrus posterior），BNST（bed nucleus of stratum terminal，一个管交配的脑区），丘脑（包括图里面 PV, CM, LD, VT, PO，都是）,以及杏仁核（amygdala，Am，一个管情绪的脑区）。 这结果说明，即使山田鼠和平原田鼠的 AVP 神经元完全相同，投射到的脑区也一致，但是其实接收 AVP 信息的脑区是有区别的。 事实上，这个规律乃是普遍的。如图所示[4]，左边的动物都是专偶制的，右边的动物都是滥交的。所有专偶制的动物，在 VP/DB 区域都有较强的 AVP 信号结合。而 LS 区域与滥交的联系，却没有这么一致。因此我们可以再度把搜寻范围缩小到 VP 区域的 AVP 受体上来…… 除了 AVP，OT 也是一个可能的候选研究对象。Insel 他们也做了碘 125-OT 的结合图，如上，我就不解释了，有兴趣的同学可以自己看文献。简而言之就是 OT 的受体分布在平原田鼠（左）和山田鼠（右）之间也存在着差异。 所以呢，我们现在知道，平原田鼠和山田鼠的 vasotocin 神经环路存在着差异。那这个差异究竟是不是造成它们行为差异的原因呢？首先，我们必须知道，AVP 或者 OT 能不能控制专偶行为。这个实验非常简单：在平原田鼠交配之前，给它脑子里打一针 AVP 或者 OT 的拮抗剂，阻止 AVP 或者 OT 结合它的受体。假如 AVP 或者 OT 对专偶行为的产生有作用，那这个操作应该能制造一些花心的平原田鼠。 这就是上述实验的结果[5]，如图所示，在交配之前给雄性平原田鼠打一针脑脊液（空白对照，CSF），并不改变它的一夫一妻观念，它仍然在交配后产生了对新来异性的攻击威胁行为。然而，给它脑子里打上足够剂量的 V1aR 受体拮抗剂（就是那个药名特长的玩意，或者 V1A），就会完全阻止这一行为的产生。OT 的拮抗剂 OTA 对此是无效的。同样，打了 V1A 的雄老鼠，也会更喜欢没和自己交配过的异性（最右图），和 CSF 以及 OTA 组形成了鲜明的对比。而当一夫一妻观念形成以后，再打 V1A，并不改变雄鼠的行为（中间图）。以上结果提示我们，一夫一妻观念的建立需要 AVP 信号通过 V1aR 受体产生作用，而一夫一妻观念的维持并不需要这一信号系统。另外，OT 并不影响这一行为。 那么，V1aR 受体为什么在两种田鼠之间有着表达区域差异呢？有好事者就去研究了这个基因的启动子（调控它表达的基因元件）。结果，发现这个启动子上有个微卫星，一种 DNA 重复序列元件。微卫星是可以自己长长或者缩短的，很容易造成多态性。果然，在平原田鼠和山田鼠之间，微卫星的长度存在着不同：山田鼠的特别短，而平原田鼠的比较长。[6] 而这个微卫星长度的不同，造成了受体表达的差异。简而言之，如果把携带微卫星的、更长的那个平原田鼠的 V1aR 基因区域扔到山田鼠里面做成转基因，那么山田鼠的脑子里 V1aR 也会表达得和平原田鼠一样。甚至，如果你把平原田鼠的 V1aR 基因区域做到小家鼠（就是实验室常见的那个耗子）里面，小鼠的 V1aR 表达谱也会变成平原田鼠那样的。这样的转基因小鼠，在打了 AVP 以后，也会表现出某种程度的一夫一妻行为……[6] 同时，Young 做了一系列实验，证明了微卫星的长度、V1aR 表达和一夫一妻行为三者之间的一一关联。比较有趣的实验有两个，一个是在山田鼠上用病毒注射，强制让 VP 区域表达 V1aR，结果得到了一夫一妻制的山田鼠；[7] 另一个是，因为微卫星的长度是经常变化的，所以即使在平原田鼠种群内部，也存在着一定程度的多态性 -- 即使它们的微卫星不如山田鼠的短。这个多态性，和它们个体脑子里的 AVP 结合差异有着高度的相关性，也和平原田鼠个体之间的行为差异有着高度的相关性。[8] 上两张图：短微卫星（short）和长微卫星（long）在平原田鼠里同时控制 V1aR 表达和专偶行为 到了这里，我们可以下一个初步的结论：在平原田鼠和山田鼠之间，专偶行为的差异来源主要是由于 V1aR 基因启动子上微卫星的基因多态性差异。 这个结论能推广么？也能，也不能。前面我们说到，在很多其它动物里，都有相似的规律，只要 VP 区域表达 V1aR，就都是专偶的动物。然而，基因在特定的脑区表达，并不必然与基因启动子上的某一结构有关。有好事者做了研究，发现这个长微卫星在好多别的田鼠里也存在，但是它们不影响这些田鼠滥交[9]。所以，V1aR 受到的调控是多种多样的，并不是一个微卫星就能决定。但 V1aR 的表达谱和行为之间的联系，应该是比较确定的。 这个结论说明什么问题呢？它说明，花心与否，在田鼠上，就是天生的。它有着非常特异的生物学机制。一个单基因的多态性，就决定了花心与否。 在这里生物讲师要重申一个概念：后天学习是有可能改变生物系统的，但是这得那系统有条件学。它要是根本就没有条件，那你怎么教，它也还是学不会。有的基因，可以被后天环境影响造成其上的表观遗传学修饰变化，从而产生基因表达差异，造成行为差异。但是如果这个基因本身根本就不存在，或者说，DNA 水平上差异很大，那不管什么后天环境作用，它能产生的影响必然是受到先天差异的限制的。像前面我们说 V1aR 启动子上这种 DNA 水平的多态性，基本不可能被后天学习所覆盖。我们前面讲的这一系列田鼠上的研究，充分表明了先天的基因能影响专偶行为，而后天教养（换父母抚育）覆盖不了先天遗传。 有的行为是能被后天改变的，有的行为则不是，这和前面所说的“先天条件”实际上有连续性。像我们之前所说的，平原田鼠抚育的山田鼠，在抚育自己的儿女方面更加积极。这表明，即使是在同一个动物身上，也有可能有的行为具有后天可塑性，有的行为则只被先天决定。 现在，在这么多结果出来之后，研究人员们就面临着一系列全新的问题了（……） 首先，我们应该注意到 AVP 信号只涉及了专偶行为的发生，并不涉及专偶行为的维持，那么专偶行为的维持又依赖于什么生物学机制呢？我们知道人类的花心不仅包括到处约炮，也包括婚外情等多种情况，所以维持状态也是很重要的！其次，这个结论究竟能不能被推广到人身上呢？这又是一个问题。第三，为什么是 AVP，而不是其它的神经递质来控制这一过程呢？欲知后事如何，请关注不知道什么时候才会出现的花心生物学续集系列…… [1] 很多文献，我就不 cite 了，懒。还有好多地方我该加 citation 没加的，都是懒。有兴趣的同学自己查吧。 [2] PNAS, 忘了哪年的。Fugu isotocin expression 好像是 in situ 做的。 [3] PNAS 1992 Insel and Shapiro, J.Neurosci 1994 Insel, Wang and Ferries [4] 这个图和一些其它的图是 Larry Young 给我的 [5] Nature 1993 Winslow et al [6] Nature 1999 Young et al [7] Nature 2004 Lim et al [8] Science 2005 Hammock and Young [9] 好像是个 nat.neurosci 之类的，具体名字忘了，Fink et al 好像是。 ——————————————— 发自知乎专栏「Etale」
