翼手目动物回声定位功能的分子机制研究

翼手目的蝙蝠是唯一具有语言学习能力的哺乳动物，其具有回声定位的特殊能力，但目前对于这一复杂发声行为的分子调控及神经生物学机制尚无深入了解。序列进化的研究表明Foxp2基因在蝙蝠回声定位中可能具有重要作用，但仍缺乏关键的实验证据。本课题计划通过FoxP2基因在蝙蝠脑部的空间表达谱差异分析和基因沉默技术，研究该基因在蝙蝠回声定位中的作用，并进行生理学和行为学实验检测多普勒频移补偿各主要参数变化，详细分析该基因如何对回声定位功能进行精细调控。此外，进一步通过ChIP-Sequencing技术和生物信息学分析，确定Foxp2参与调控的回声定位下游目标基因，初步构建出参与回声定位机制的分子调控网络。通过对蝙蝠Foxp2基因的研究,将会有助于人们深入了解蝙蝠回声定位功能的生物学机制，也会给人类语言机理的研究带来更多的借鉴与启示。

为了研究FoxP2基因在翼手目动物回声定位等复杂发声行为中的作用，本项目利用原位杂交和免疫组化技术在mRNA和蛋白质水平对3种回声定位蝙蝠(马铁菊头蝠,大足鼠耳蝠和大蹄蝠)和2种非回声定位蝙蝠(棕果蝠和犬蝠)脑部各区域的FoxP2基因表达谱进行了比较分析。发现在蝙蝠脑部前部扣带皮层区域，具有回声定位及不具有回声定位能力的蝙蝠间，FoxP2基因的表达存在差异显著，表明该区域可能与蝙蝠回声定位功能的控制相关。接着，我们选择具有回声定位功能的大蹄蝠作为研究对象，以慢病毒介导的RNAi在脑部前部扣带皮层区域成功沉默FoxP2基因的表达，发现FoxP2功能丧失后，蝙蝠的多普勒频移补偿行为受到严重影响，最大补偿深度和脉冲间隔时间这两项多普勒频移补偿机制的关键发声参数分别发生了显著的降低和增加；但蝙蝠发出的静息频率（Resting frequency,RF)则没有显著变化。这表明蝙蝠前扣带皮层区域表达的FoxP2基因在蝙蝠精确、快速的听觉-发声行为过程中扮演重要的角色。此外，我们还发现FoxP2基因在以水果为主食的蝙蝠和以昆虫为主食的蝙蝠脑部嗅结节区域存在显著表达差异，提示我们Foxp2基因可能亦与蝙蝠基于嗅觉系统的食物选择能力相关。另一方面，我们还对蝙蝠基于视锥细胞的紫外视觉能力进行了研究。通过对四种不同生态习性的蝙蝠进行了双目紫外线刺激实验，然后比较分析主视皮层Fos蛋白的表达差异后发现：恒频回声定位蝙蝠和洞栖果蝠丧失了基于短视蛋白的紫外视觉能力，而调频蝙蝠和树栖果蝠则保留了该紫外视觉能力,这可能是蝙蝠在进化过程中由于感觉代偿及栖息环境差异所致。该结果也确定了蝙蝠是另一类拥有基于视锥细胞紫外视觉能力的哺乳动物。基因项目预定的各项工作已完成，相关研究成果已发表或正在整理投稿中。