客户的故事
技术 测序方法的探险家 发表评论 客户的故事 基因组学教育 基因组学的播客 研究者の声(移行済み) 基因组学协会 加速器启动资金 基因组研究中心
客户面试

声音沟通的神经生物学

杜克大学医学中心的研究人员正在研究鸣鸟的基因组，以寻找人类声乐学习的线索。yobet亚洲

声音沟通的神经生物学

声音沟通的神经生物学

介绍

声乐学习，即yobet亚洲听到一个声音并重复它的能力，是一种复杂的行为，很少有动物进化到这样的程度。研究鸣禽和其他能够模仿声音的动物，有助于深入了解口语能力背后的分子机制，而口语能力是区分人类和其他动物的关键特征之一。

杜克大学医学中心神经生物学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员Erich Jarvis博士带领一组研究人员研究鸣禽，以了解声乐学习的神经生物学。yobet亚洲他们用鸣禽作为人类大脑如何产生、感知和学习口语的模型。yobet亚洲

iccommunity与Jarvis博士谈论了他的研究，以及Illumina测序系统是如何将知识推进到声乐学习的遗传基础和大脑功能的机制。yobet亚洲

Alt文本在这里
Erich Jarvis博士是杜克大学医学中心的神经生物学教授。

问:为什么鸣鸟是研究声乐学习的好模式?yobet亚洲

埃里希·贾维斯(EJ):鸣禽、鹦鹉、蜂鸟和其他一些动物都有模仿声音的能力。这些动物包括一些哺乳动物，如海豚、鲸鱼、海狮、蝙蝠、大象，当然还有人类。

相比之下，猴子和类人猿不能用喉头模仿声音。许多人对此感到非常惊讶，因为它们是灵长类动物中与我们最近的亲戚。猴子和类人猿只能在不同的环境下学习如何发出天生的声音。yobet亚洲然而，实际的隐式结构和句法是与生俱来的。

因此，尽管人类和会唱歌的鸟类彼此之间的关系很遥远，但我们yobet亚洲共享一种类似的大脑通道组织，用于声音交流。这些包括发声学习所必需的运动前通路和产生习得发声所必需的运动通路。yobet亚洲

问:什么是Bird 10000个基因组(B10K)项目?

EJ:我是B10K计划的一部分，该计划由华大基因和其他合作者于2015年正式启动，旨在在未来五年内从所有现存鸟类物种中生成基因组序列。1目前，我们正在使用Illumina技术进行测序。B10K项目建立在鸟类系统发育学项目的成功基础上，该项目为跨脊椎动物类的所有代表性物种的大规模测序提供了第一个概念证明，并为利用此类基因组可以发现的类型提供了一个窗口。鸟类系统基因组学项目由华大基因的张国杰、哥本哈根大学的汤姆·吉尔伯特和我领导。

“根据最近的统计，我们已经对每个鸟类科的一个物种的200多个鸟类基因组进行了测序。”

B10K项目将完成整个活禽类基因组水平的“生命树”，使我们能够识别遗传和表型变异之间的联系。2在此过程中，我们希望揭示物种遗传进化、生物地理和生物多样性格局的相关性，评估各种生态因素和人类影响对物种进化的影响，并揭示整个生物类别的人口历史。

我的重点是研究声乐学习的遗传学。yobet亚洲我的研究需要我们比较基因、发声行为和相关的大脑通路，这些是少数少数有发声学习能力的物种，而大多数物种没有。yobet亚洲

问:作为B10K项目的一部分，已经对多少个鸟类基因组进行了测序，使用了哪些测序技术?

EJ:根据最近的统计，我们已经对每个鸟类家族代表一个物种的200多个鸟类基因组进行了测序，其中大多数是在华大基因完成的。其中48个基因组已经发表。2，7出于几个原因，我们试图在这个项目的更深层次的分类阶段中进行排序。首先，它使我们在每个连续的分类层次上都有系统发育的广度。其次，我们可以利用各个层次的基因组来了解鸟类的系统发育，这是几十年来一个有争议的问题。

此前，这只鸡和斑胸草雀的基因序列是用桑格测序法测定的。其他鸟类基因组使用下一代测序(NGS)技术进行了测序。大多数测序采用Illumina测序系统，少数采用罗氏454或PacBio测序。

“我们选择HiSeq系统的主要原因是成本、覆盖范围、速度和灵活性。”

问:你为什么选择NGS和HiSeq系统学习?

EJ:重复区域很难用霰弹枪排序来组装。我们开始使用NGS生成跳跃库，通过重复区域提供更好的组装质量，以及TruSeq DNA文库Prep (version 3 chemistry)，通过GC-rich区域提供更好的测序。对于我们在2014年底发表的鸟类基因组，大约一半是使用多个跳跃库完成的，另一半只有两个跳跃库。2，7

我们选择HiSeq系统的主要原因是成本、覆盖范围、速度和灵活性。我们需要一定的覆盖范围来准确调用一个碱基对，以产生碱基对的准确性，并通过难以测序的区域获得reads。我们还需要在特定的价格点进行排序，以有效地产生20-30个´需要覆盖，或多达100个´有时用来生成高质量的程序集。HiSeq系统也很快速，使我们能够在一个通道内，在一次运行中对多个物种进行排序。这加快了我们研究的步伐，增加了我们一次可以测序的物种数量。最后，它是灵活的，有池、库和算法，可以使用基于illumina的数据，并以不同的方式执行许多事情。

问:除了B10K项目，你们还参与了其他的测序计划吗?

EJ:我正在与G10K项目的负责人合作，该项目专注于对1万个脊椎动物基因组进行测序。3.这些领导者包括博士。圣彼得堡州立大学的Steven O 'Brien，加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)的David Haussler，圣地亚哥动物园的Oliver Ryder，史密森尼博物馆的Klaus-Peter Koepfli, UCSC的Beth Shapiro，还有我自己，等等。脊椎动物的数量在6万到6万6千个之间，这取决于你相信谁的数字。我们希望对每个脊椎动物物种的一个属进行排序，这样加起来大约有9500个物种。

我将使用鸟类和其他脊椎动物的基因组来回答关于进化和发声学习机制的问题。yobet亚洲我特别感兴趣的是研究不同声乐学习者的基因组，以理解为什么即使在每个谱系中，不同的鸣禽，例如鹦鹉，比其他鸟类有更高级的能力。yobet亚洲这需要确定哪些基因负责建立这些大脑回路，以及它们如何使一个物种能够模仿和学习新歌，而其他物种却不能。yobet亚洲然后我想在不能模仿声音的物种中操纵这些基因，比如老鼠，看看会发生什么。我们能诱导这些回路形成，让老鼠模仿声音吗?我们能不能修改这些基因，重新开启一个关键的发展时期，在这个时期，动物可以像婴儿那样模仿?

问:你发现了与声乐学习有关的基因吗?yobet亚洲

EJ:利用pre-B10K项目阶段的基因组序列(即在鸟类分类级别上)，我们已经确定了大约50个候选基因。这些基因在人类和会发声的鸟类的大脑和非人灵长类动物的大脑以及不会发声的鸟类的大脑中的调节不同。yobet亚洲5，6我们认为，这些差异是由人类和鸟类中这些基因调控基因组区域的变化引起的，我们可以在它们的基因组中看到这些基因。yobet亚洲4我们正致力于将这些基因差异运用到老鼠和非学习鸟类的大脑中。yobet亚洲其中一些基因确实控制着连通性，未发表的研究结果表明，它们可能控制着某些发声行为。然而，我们还没有找到一个主要的调节基因，它正在改变整个负责创造这些大脑回路的基因网络。

“我们现在正在使用Illumina测序系统，用RNA-Seq重复这些阵列实验，以识别被遗漏的基因。”

问:你们是否也在进行后续的RNA或mRNA研究?

EJ:2014年，我们发表了使用微阵列的RNA表达分析，在其中我们发现了人类和声乐学习鸟类的聚合基因表达变化。yobet亚洲6在人类语言脑区和鸣禽鸣叫脑区均存在趋同基因表达差异。我们现在用RNA-Seq重复这些阵列实验，使用Illumina测序系统来识别缺失的基因。在微阵列RNA表达研究中确定的基因将作为阳性对照。RNA-Seq的优点是，它可以检测大脑区域及其细胞中表达的所有基因。使用微阵列的RNA表达分析只能检测到阵列上有限的一组基因。正因为如此，我们非常有信心，我们遗漏了一些潜在的重要基因，比如一个在语言区引起巨大基因网络差异的主调控因子。

除此之外，我们还试图找出为什么在鸟类和人类之间，这些大脑区域在几十个基因中，每个大脑区域有50-70个基因的趋同变化。我们正在使用芯片测序技术来观察在鸟类学习声音的运动区域和人类大脑的语言区域是否存在增强器差异。yobet亚洲如果我们没有芯片测序的方法，它将需要几十年，如果不是几百年，以确定增强区域的差异，每个大脑区域一次一个基因。

问:你对鸣禽的研究对理解人类语言有启示吗?

EJ:很长一段时间，我以为我们会在鸟类身上发现这些，然后其他科学家会把这些发现应用到人类身上。我很快发现，尽管人们对我们的工作感到兴奋，但他们并没有将我们的发现转化为人类。几年前我决定亲自进行这些研究。这包括比较鸟类和人类的基因组和大脑区域，以及声音学习基因是如何表达的研究。yobet亚洲我们得到了其他参与分析人类和非人类灵长类动物大脑的机构的同事的帮助，比如艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)和理化研究所(RIKEN Brain Sciences Institute)。6

这项研究可能会有临床应用。在我们弄清楚如何诱导或修改老鼠的通信电路之后，我们想看看能否弄清楚如何在它们受损时修复它们。最终，这将使我们能够修复中风或其他类型的创伤后的语言脑回路，或者开发出药物来调节自闭症儿童大脑回路中的特定基因。

如果我们没有芯片测序的方法，它将需要几十年，如果不是几百年，以确定增强区域的差异，每个大脑区域一次一个基因。

问:在你的研究中，下一步是什么?

EJ:我想从事一个项目，将基因组从B10K组，并重新定义物种的概念。8在过去，物种的鉴定和区分主要是通过形态学来确定的。例如，鸟类翅膀的颜色或形状，或哺乳动物爪子的大小，都可以用来确定哪个物种彼此有血缘关系，以及谁是谁的后代。在研究B10K的基因组时，我们发现这些基于形态的物种系统发育的许多部分是错误的，因为许多形态特征是趋同的。如果我们观察潜在的基因组，我们会发现人与人之间的关系存在差异。你还会发现，有时候我们认为是单一物种的东西，实际上是两个不同的物种，而我们认为是两个物种的东西，实际上是一个。

我也在和我的同事贝丝·夏皮罗和埃德·格林一起工作，他们都对重建一组物种的共同祖先很感兴趣。如果你有一个特定种类的所有物种的基因组序列，并且有足够的多样性代表，你就有算法，理论上可以重建基因组中每个碱基的共同祖先。然后我们可以合成这些染色体，将它们放入细胞中，使胚胎受精——比如一只鸡或一些哺乳动物——生出这个共同祖先的基因组。

yobet亚洲亚博官网人口了解更多关于本文中提到的Illumina产品和系统:

HiSeq系统,www.169o.com/systems/hiseq_2500_1500.html

参考文献
  1. 张国华，张国华，张国华，等。基因组学:鸟类测序项目启动．自然2015年;522年,34。
  2. 贾维斯·埃德，Mirarab S, Aberer AJ，等。全基因组分析解决了现代鸟类生命之树的早期分支．科学．2014, 346(6215): 1320 - 1331。
  3. 基因组10k科学家社区。基因组10K计划——前进的道路．安。启动物生物科学．2015; 3:57 - 111。
  4. Whitney O, Pfenning AR, Howard JT等。核心和区域丰富的基因表达网络的行为调控基因和歌唱基因组．科学．2014, 346(6215): 1256780。
  5. 王锐，陈春春，哈拉E，等。语音学习者大脑中slitt - robo轴突引导基因的趋同差异调节yobet亚洲．j . Comp。神经．2015; 523:892 - 906。
  6. pfinning AR, Hara E, Whitney O, Rivas MR等。人类和会唱歌的鸟类大脑中的趋同转录专门化yobet亚洲．科学．2014, 346(6215): 1256846。
  7. 张刚，李超，李强，等。比较基因组学揭示了鸟类基因组的进化和适应．科学．2014;346(6215): 1311 - 1320。
  8. 贾维斯。从鸟类系统发育基因组学项目的角度:可以通过测序脊椎动物类的所有基因组来回答的问题．安。启动物Biosci．2016; 4:45-59。