鸟类鸣唱控制脑区性别差异的生物学机制研究

Sexual dimorphism can be found in some brain areas in vertebrates, including human being. The mechanism under the sexual dimorphism is clear in mammals with XX/XY sex chromosomes. However, it has not yet been known in birds, reptiles, and some amphibians and insects with ZZ/ZW sex chromosomes. There are obvious sexual differences in singing behavior and its controlling nuclei in songbirds, which is one of most significant sexual differences found in all the vertebrates, and thus provides us an ideal natural research model. By using chick expressing gene chips which cover about 30,000 genes, this object is designed to find genes with different expression during the sexual differentiation of high vocal center (HVC), a nucleus which controls song production. These genes at least include ERBB2/ERBIN、TrkB/BDNF、Notch-1and FGF-2, according to our priliminary studies. Once these genes are further confirmed to be sexually different during the sexual differentiation of HVC by real time PCR, immunohistochemistry or in situ hybridization, the roles of these genes on the sexual differentiation of HVC will be studied by use of inhibiting Lent virus containing RNAi fragments for the studied genes or over-expressing Lent virus containing the whole lengths of these genes. We will specially focus on the roles of these genes on the following processes of HVC sexual differentiation, including cell proliferation in the ventricle zone, cell migration, differentiation or apoptosis on the way to their target. Our study will be useful to further know the mechanism under which some brain areas are sexually differentiated in animals with ZZ/ZW sex chromosomes.

脊椎动物包括人的某些脑区无论在形态结构或功能上都存在显著的性别差异即性双态性（sexual dimorphsim）。虽然哺乳类（XX/XY型）性双态分化和形成已经基本弄清楚，但鸟类（ZW/ZZ型，还包括爬行动物、某些两栖类和昆虫)的性分化过程并不清楚。鸣禽的鸣唱行为及其专属控制核团表现出显著的性别差异，是所有已发现脊椎动物性双态脑区最为明显者，是自然的理想研究模型。本课题拟利用基因表达谱芯片（包含了近3万个基因），找出雌雄鸟HVC性分化过程中差异表达的基因，包括前期实验已初步确定差异的基因ERBB2/ERBIN、TrkB/BDNF、Notch-1和FGF-2，通过免疫或原位杂交技术确认后，再使用RNAi干扰慢病毒或过表达慢病毒技术，分析它们在性分化过程中（神经细胞在室带区的增殖、向目的鸣唱控制核团的迁移和分化、存活以及凋亡等）的具体作用，揭示ZW/ZZ型动物性别差异脑区的发育机制。

性双态现象普遍存在于动物界，但是具体的分子机制还知之甚少。鸣禽脑区的发声控制核团具有明显的性双态现象，且鸣禽鸣声也表现出明显的性别差异，为我们提供一个研究性分化神经生物学机制的良好模型，有助于揭示脊椎动物的性双态分子生物学机制。已有研究报道性双态的产生是由性激素和遗传两方面共同作用调节的，尤其是遗传因素起主导作用。但是鸣禽不存在类似哺乳动物的性别决定基因Sry，也没有基因剂量补偿效应，因此究竟哪些基因参与、如何参与性双态的形成有待于进一步研究。. 本项目的主要工作是以白腰文鸟为实验对象，检测鸣唱控制核团内雄性高表达的Z染色体连锁基因——erbin及其结合蛋白基因——erbb2对白腰文鸟鸣唱核团性双态发育和鸣唱行为的影响，为揭示脊椎动物脑区和行为性别分化的分子机制提供依据。我们通过慢病毒介导的RNA干扰显著抑制了发育中HVC核团及其背侧VZ区erbin和erbb2 mRNA水平的表达。我们发现，与对照组比较，erbin或者erbb2基因沉默后，发育中HVC核团背侧VZ区新生细胞数（PHD24）及HVC核团内新生细胞迁移和新生神经元数目（PHD31）显著减少。另外，erbin或者erbb2基因沉默雄性幼鸟饲养至成年后（PHD>120），其HVC、RA核团体积，HVC核团内新生神经元密度，新生HVCRA投射神经元所占比例均显著减小，但新生中间神经元密度不变；同时，基因沉默雄性幼鸟饲养至成年后（PHD>120）其鸣曲结构简化或者不完整。erbin和erbb2基因沉默的作用之间没有显著差异。基因芯片结果显示，在发育中HVC核团内共检测到19,996个探针，在1.5倍差异显著水平共鉴别出367个差异表达基因，其中Z染色体连锁基因有57个，包括erbin。另外，大约25个参与Erbin或者ErbB2相关信号通路的基因在HVC核团内性别差异表达（p<0.05，FC>1.3或者<0.77），其中ErbB2，MAPK，TGF-β和 NF-κB信号通路相关基因各6，8，12和1个。可见，Z染色体连锁基因erbin，及其结合蛋白基因erbb2都可以通过调节幼鸟发育中HVC核团背侧VZ区细胞增殖和HVC核团内HVCRA投射神经元分化参与HVC核团和鸣唱行为的性双态发育。Erbin的这一调节作用可能通过多条通路完成，包括与ErbB2结合，以及与细胞增殖，分化息息相关的信号通路MAPK