几十年来，对于生物学家而言，确定基因与行为之间的精确关系一直是个棘手的问题。但是现在，Janelia Research Campus的科学家已经设计出新的策略来深入研究这个环节。利用新技术，由大卫斯特恩领导的一组科学家发现了一种基因，这种基因导致雄性果蝇产生不同的求偶歌曲 - 一首唱得很高兴; 另一个低调。

“虽然生物学家花费了数十年的时间试图追踪导致行为变异的基因，但是有很少的数据可以证明这一点，”Janelia的组长斯特恩说。他希望2016年8月10日在自然界报道的研究结果和方法将成为生物学家的路线图，使他们能够确定行为的其他遗传根源。

斯特恩小组最初在两个物种果蝇(Drosophila simulans)和果蝇(Drosophila mauritiana)之间绘制的果蝇歌曲变异归结为编码离子通道蛋白的基因突变，称为慢速。因果突变是将大的逆元件插入慢速内含子中，这意味着突变位于基因的非编码区。“这是基因如何进化以产生变异的一个例子，”斯特恩说。“但为了全面了解行为如何演变，我们需要大量的例子。”

在将slowpoke识别为负责色调变化的基因之前，Janeia的同事和同事设计了一系列障碍的解决方案，从为果蝇量身定制的定制录音室开始。

为了吸引配偶，雄性果实通过击打它们的翅膀来“唱歌”，产生两种噪音 - 脉冲歌曲，听起来像一架迷你直升机，以及正弦曲，连续不断的嗡嗡声。但是歌曲非常安静 - 只有在距离歌唱男性大约一厘米的地方时，雌性苍蝇才能听到呼叫声。所以斯特恩的团队创建了一个小小的录音棚，以便在求婚夫妇身上进行窃听。

“我们称之为求爱 - 奥拉玛，”斯特恩说。“它可以同时录制32对[苍蝇]和32个麦克风阵列。然后，我们定制的放大器将声音提升1000倍，并将歌曲输入我们的软件系统，自动分析每个功能并告诉我们什么男性唱歌的歌曲类型。“

与高通量测序技术(称为多重霰弹枪基因分型)配合，Stern的小组最初进行了数量性状基因座定位，揭示了行为特征(在这种情况下，正弦曲调的基调)与基因组区域之间的统计联系。他们发现正弦曲调的变化与大约100万个碱基对的DNA有关。

然后，Janelia的博士后研究员Stern和Yun Ding通过有针对性的育种策略削减了100万个碱基对，达到约140,000个碱基对。丁看到后代的苍蝇以较低的频率唱歌，典型的D. simulans，总是携带来自D. simulans的140,000碱基对DNA片段; 然而，用这种来自D. mauritiana的DNA飞行，以更高的频率唱歌。

不过，斯特恩和丁对映射分辨率并不满意; 许多基因位于140,000个碱基对区域内，其中任何一个都可能是歌曲频率差异的原因。为了产生更高的分辨率，该团队使用CRISPR / Cas9介导的基因组编辑在基因组中的特定位点引入荧光标记。然后他们可以通过瞥一眼苍蝇的眼睛，在这个特定的基因组区域内挑选出具有重组事件的苍蝇。使用这种策略，他们将歌曲差异的原因削减到少于1,000个碱基对在基因slowpoke内。然后他们使用CRISPR去除了可疑的因果突变，这是一种内含的逆转子元素，让他们确认它会导致低频歌曲。令人惊讶的是，这种逆转录元件仅在用于绘图的D. simulans菌株中发现，但在其他D. simulans菌株中未检测到，这意味着它是D. simulans种群中进化上最近的罕见变种。需要进一步的研究来揭示D. simulans种群中这种变异的历史。该结果还表明，更多的基因而不仅仅是慢速的基因有助于D. simulans和D. mauritiana的正弦音调变化。

法国马赛发育生物学研究所的进化和发育生物学家Benjamin Prud'homme说：“这项研究是一次真正的研究，因为它确定了行为变异的遗传起源。” “它为遗传作图分析设定了一个新标准，包括非经典遗传模型系统的物种。事实上，本研究中使用的大多数基因组编辑技术都可以转移到大多数(如果不是所有物种)适合转基因的物种。”

目前，斯特恩和他的同事正在扩大他们在求爱歌曲上的工作，利用他们的高通量方法来发现导致求爱歌曲变化的其他基因 - 如脉冲速度。但他们也在考虑大局。

“这不仅仅是确定负责的基因;而是了解这些基因变化如何改变神经元的功能以产生这些变异，”斯特恩说。

“所有这一切的圣杯将是将神经解剖学，神经生理学和进化遗传学结合在一起，以确定是否存在构成大脑进化的一般原则。”