„Gén reči“ FOXP2 sa ukázal ako regulátor na vysokej úrovni. Genetika reči Gény a reč génov reči

Peter Borger a Royal Truman

Reč dáva ľuďom schopnosť efektívne komunikovať a je možno najvýraznejšou črtou, ktorá odlišuje ľudí od iných živých bytostí. Niektorí ľudia sa však narodia s narušeným a oneskoreným vývinom reči. Tento syndróm je známy ako špecifická porucha reči(CPP). Deti so špecifickou poruchou reči sú v porovnaní s rovesníkmi značne oneskorené vo vývine reči a vnímaní, čo vedie k ťažkostiam pri učení a čítaní v škole. Nie je to tak dávno, čo sa v jednej rodine, v ktorej bola špecifická porucha reči pozorovaná po tri generácie, našiel poškodený gén - FOXP2... Ten istý gén FOXP2 sa zistilo u iných ľudí trpiacich rovnakou poruchou. Ľudia s poškodeným génom FOXP2 častejšie trpia špecifickou poruchou reči, no nie vždy k tejto poruche vedú rovnaké mutačné varianty, čo poukazuje na zložitosť genetiky reči.

Vedci z Inštitútu antropológie Univerzity v Zürichu použili metódu výpočtovej paleoantropológie na rekonštrukciu vzhľadu neandertálskeho dieťaťa z lebky (Gibraltár 2) a porovnanie kostrového systému a morfológie mäkkých tkanív moderného človeka.

(Obrázok prevzatý z de.wikipedia.org)

Celá sekvencia DNA ľudského génu FOXP2 bola dešifrovaná; genetická homológia šimpanzov, orangutanov, opíc rhesus a myší bola nedávno rozlúštená. Veveričky FOXP2 u šimpanzov sú gorily a opice rhesus totožné. Rovnaké proteíny v orangutanoch a šimpanzoch sa líšia len dvoma aminokyselinami mimo Q zón (Q zóny sa neberú do úvahy, pretože sú náchylné na rýchle mutácie v dôsledku nestabilných DNA polymeráz). V porovnaní s týmito piatimi príkladmi sa ľudská verzia sekvencie DNA líši v dvoch fragmentoch. Obrázok 1 ukazuje, že aminokyselinový zvyšok 304 u ľudí obsahuje „N“ a „T“ v ďalších piatich organizmoch; na aminokyselinovom zvyšku 326 je 'S' prítomný u ľudí a 'N' v ostatných piatich organizmoch. Tieto dve variácie aminokyselín sú prítomné vo všetkých 226 testovaných ľudských vzorkách a sú typickými príkladmi sekvencie ľudského génu FOXP2. Gény a proteíny FOXP2 sa teda môžu použiť ako génový indikátor- genetický mechanizmus, ktorý rozlišuje ľudí, primáty a iné živočíšne druhy (obrázok 1).

Nedávna analýza DNA neandertálskeho človeka, ktorý sa podľa evolučnej časovej línie vyvinul asi pred 400 000 rokmi, preukázala, že mali presne ten istý génový proteín FOXP2 (izolovaný zo sekvencie DNA) ako moderní ľudia vrátane zhôd N a S na pozíciách 304 a 326, v tomto poradí. Okrem morfologických a fyziologických dôkazov pre hlasový trakt, ktorý zahŕňa modernú hyoidnú kosť, poskytuje molekulárna biológia dôkaz, že neandertálci mali všetky vlastnosti potrebné na to, aby hovorili zložitými jazykmi. Gény FOXP2 nájdené u neandertálcov teda dokazujú, že to tak naozaj bolo Homo sapiens... Tieto zistenia sú v súlade s kreacionistickým postojom, že neandertálci boli popotopnými ľuďmi na území dnešnej Európy a Ázie.

Obrázok 1. Tieto písmená označujú vedúcich 330 aminokyselín génového proteínu FOXP2 u ľudí, šimpanzov, goríl, orangutanov, opíc rhesus a myší. Tieto aminokyselinové sekvencie ukazujú dva polyglutamínové úseky (zvýraznené červenou farbou), ktoré odlišujú aminokyselinovú sekvenciu u ľudí od iných tu uvedených cicavcov (N v polohe 304 a S v polohe 326). Posledných 386 aminokyselín génu FOXP2 je identických u všetkých druhov a nie sú tu znázornené. Tieto sekvencie sú prezentované v knihe Enarda a kol.

Odkazy a poznámky

Prihláste sa na odber noviniek

Gén reči pomáha prejsť z jedného štádia učenia, v ktorom dochádza k pochopeniu a pochopeniu úlohy, do iného, ​​keď sa požadovaná zručnosť naučí do automatického stavu.

Rečové schopnosti sú poskytované prácou špeciálneho neurónového aparátu a štruktúra neurónových sietí závisí od génov, takže by bolo úplne správne predpokladať, že máme špeciálne „gény reči“. Až do roku 2001 však vedci nevedeli takmer nič o tom, ktoré gény ovplyvňujú reč. Situácia sa zmenila po štúdiu jednej rodiny, ktorej členovia trpeli poruchami reči a mali problémy nielen s výslovnosťou, ale aj so syntaxou a s porozumením cudzej reči. Ukázalo sa, že táto rodina má zmutovaný gén FOXP2, ktorý sa okamžite stal „hviezdou“ vo vedeckom svete.

Naša schopnosť hovoriť pochádza z niekoľkých mutácií v rečovom géne. (Foto H. ARMSTRONG ROBERTS / Corbis).

Striatum v ľudskom mozgu. (Foto Wikipedia).

Čoskoro sa ukázalo, že je zodpovedný nielen za zrozumiteľnosť reči: očividne sa človek vo všeobecnosti naučil hovoriť pomocou FOXP2... Vyskytoval sa, samozrejme, aj u šimpanzov, no u nich sa od človeka líšil dvoma nukleotidovými „písmenami“ v DNA; je pravdepodobné, že mutácie pomohli zmeniť zvuky zvierat na komplexnú reč. V roku 2009 sa uskutočnil zvláštny experiment: človek FOXP2 boli zavedené do genómu myší, ktoré potom, samozrejme, nezačali hovoriť ľudským hlasom, ale zvuky, ktoré vydávali, sa výrazne skomplikovali. Ďalší výskum ukázal, že myši s génom ľudskej reči zmenili aktivitu neurónov v striate (alebo striate), ktoré sa okrem iného podieľa na procesoch učenia. Navyše, aj povestná ženská zhovorčivosť bola spojená s týmto génom - potom, čo sa ukázalo, že hladina bielkovín FOXP2 dievčatá sú takmer o tretinu vyššie ako chlapci. Podrobnosti o tom, ako nám tento gén pomáha učiť sa reč, však zostali do značnej miery nejasné.

U nás a u zvierat prebieha učenie v dvoch etapách. Najprv je úloha rozdelená do niekoľkých krokov, ktoré sa postupne naučíme vykonávať. V prípade napríklad bicyklovania zoberieme riadidlá (a snažíme sa ich držať rovno), potom dáme nohy na pedále a potom ich začneme otáčať. Spočiatku si tento sled úkonov vyžaduje našu plnú koncentráciu, no postupom času začína „nevedomá“ časť tréningu, kedy sa učíme jazdiť stále lepšie a to jednoduchým opakovaním všetkých vyššie uvedených úkonov. To isté sa deje s učením sa jazyka: najprv sa sústredíme na výslovnosť a význam jednotlivých slov, potom sa reč stáva plynulejšou a nakoniec môžeme povedať „dobré popoludnie“ automaticky bez toho, aby sme premýšľali o tom, ako a čo sme. rozprávanie.

Vedci z (USA) sa rozhodli zistiť, ktorá z fáz učenia potrebuje rečový gén FOXP2... V experimente museli normálne myši a myši s ľudským génom nájsť bludisko, aby dostali maškrtu. „Humanizované“ zvieratá rýchlo pochopili, ktorou cestou sa dostanú k potrave rýchlejšie, no keď bolo bludisko zorganizované tak, aby sa fázy učenia dali rozdeliť a pozorovať oddelene od seba, medzi myšami nebol žiadny rozdiel.

Potom vznikla hypotéza, že rečový gén pomáha prepínať medzi rôznymi fázami učenia. Ďalšie experimenty, opísané v článku v Proceedings of the National Academy of Sciences, potvrdili tento predpoklad: myši, ktoré zvládli krok za krokom etapu úlohy, rýchlo prešli do fázy opakovania, ak bol do ich genómu vstreknutý ľudský FOXP2. Účinok bol pozorovaný aj na bunkovej úrovni: v striate sú rôzne zóny zodpovedné za rôzne štádiá učenia a tá, ktorá bola zodpovedná za učenie sa opakovaním, sa účinnejšie aktivovala u myší s ľudským génom.

To znamená, že môžeme povedať, že ľudský variant génu FOXP2(ktorý vznikol, ako sa verí, asi pred 200 000 rokmi) sa otvoril našim predkom učenie sa opakovaním - človek mohol nielen vysloviť slovo a pochopiť jeho význam, ale reprodukcia tohto slova sa stala automatickou. Zvýšené príležitosti na komunikáciu v komunite pomohli jednotlivcom prežiť, takže nová verzia génu získala evolučnú výhodu. Je však nepravdepodobné, že by vývoj reči u ľudí nastal „na vôľu“ len jedného génu. Je zrejmé, že je tu zapojená celá genetická sieť, v ktorej FOXP2 je len jedným z odkazov. Takže pred rokom vedci z Johns Hopkins University School of Medicine (USA) zverejnili článok popisujúci závislého FOXP2 gén SRPX2, ktorý riadi dynamiku interneuronálnych spojení v rečovom centre mozgu. Za zmienku tiež stojí, že pri opísaných pokusoch s gen FOXP2 bola hodnotená schopnosť myší učiť sa vo všeobecnosti, takže pravdepodobne tento gén u ľudí môže súvisieť nielen s rečovými schopnosťami.

Reč je funkcia mozgu, ktorá je jedinečná pre ľudí. Ale vlastnil ju neandertálec? Nedávne „čítania“ sekvencie aminokyselín proteínového produktu rečového génu naznačujú, že prinajmenšom obyvatelia údolia rieky Neander, prítoku Rýna, nemali rozvinutú reč.

Všetko sa to začalo pred viac ako 10 rokmi, keď bola v Anglicku opísaná rodina KE, ktorej tri generácie trpia poruchami reči a jazyka v širšom zmysle slova. Nielenže povedali „Koikogo street“, ale zmenili aj poradie slov vo vete, čo je v angličtine jednoducho neprijateľné. Zároveň úroveň ich inteligencie ako celku nijako zvlášť neutrpela.

Chromozomálne štúdie členov rodiny umožnili identifikovať zónu, v ktorej sa údajne nachádzal defektný gén. Výskumník, ktorý ako prvý opísal rodinu KE, opísal 5-ročného chlapca s podobnými poruchami reči. Analýza chromozómov odhalila translokáciu (tj "skok") 5. chromozómu na 7., v dôsledku čoho sa jeden z génov jednoducho "rozdelil" na polovicu.

Gén dostal názov „Speech“, čo v angličtine znamená „reč“. Kóduje proteín, ktorý je dôležitým regulátorom aktivity génov. Poškodenie génu vedie k bodovej substitúcii arginínu za histidín v primárnej štruktúre proteínu.

článok v časopise Príroda, venovaný popisu rečového génu, vyšiel v októbri 2001. A v polovici augusta 2002 sa časopis opäť venoval tejto téme a uverejnil článok S. Paabo z Lipského inštitútu pre evolučnú antropológiu.

Svojho času sa Paabo preslávil izoláciou a sekvenovaním DNA múmie. Tentoraz sekvenoval proteíny rečového génu u ľudoopov, ľudí a opíc rhesus. Predkovia ľudoopov a makakov sa od seba rozchádzali asi pred 70 miliónmi rokov. Matematická analýza sekvencií aminokyselín ukázala, že ľudská verzia génu reči bola stanovená pred 120 tisíc rokmi a nie skôr ako pred 200 tisíc rokmi.

Aké sú výhody ľudskej formy génu? Je celkom možné, že práve rozvoj verbálnej komunikácie ako informačne najnáročnejšej a vyžadujúcej minimum energie sa stal výhodou, ktorá umožnila modernému človeku „vyrovnať sa“ so svojimi neandertálskymi bratmi.

Na základe materiálov

Príroda, 2001, č. 6855, s. 519
Veda, 2002, č. 5540, s. 32; č. 5584, s. 1105

Napriek rôznym trikom, ktoré laboratórne myši dokážu, sa vedci stále snažia rozširovať arzenál trikov pre svojich zverencov. Superodolné, supersilné, superrýchle, superodolné, alebo naopak supernáchylné na najnebezpečnejšie choroby – to nie je jediný zoznam geneticky získaných schopností podľa vôle vedcov.

Wolfgang Enard z Inštitútu Maxa Plancka pre evolučnú antropológiu v Lipsku a jeho kolegovia si dali za takmer nemožnú úlohu naučiť myši rozprávať.

Alebo aspoň transplantovať ľudskú verziu rečového génu Foxp2 do myší.

Tento gén, respektíve sekvenciu DNA kódujúcu transkripčný faktor Foxp2, majú aj myši a iné zvieratá, vrátane primátov, ale od ľudí sa líši dvoma bodovými mutáciami. Verí sa, že práve tieto mutácie dali človeku jedinečnú schopnosť hovoriť a rozlišovať reč. V odhadoch veku tejto mutácie sa vedci líšia - od 100 do 500 tisíc rokov. Otázka veku a evolúcie Foxp2 sa dokonca stala takmer hlavnou témou diskusie o nedávno rozlúštenom genóme neandertálcov.

Účinky tohto transkripčného faktora sú však stále nejasné. Je zrejmé, že taký zložitý proces, akým je reč, nemôže zabezpečiť len jeden gén, je potrebná vhodná štruktúra dýchacích ciest a hlasiviek. Navyše, mozog a orgán sluchu by mali byť schopné vnímať a rozlíšiť práve túto reč. Foxp2 je najvhodnejší pre úlohu "regulátora" - koniec koncov, je to transkripčný faktor, ktorý reguluje prácu širokej škály génov (ktoré nie sú úplne známe). To znamená, že jedna mutácia v géne Foxp2 stačí na zmenu štruktúry, vlastností a funkcií súčasne vo viacerých tkanivách – či už ide o nervový alebo dýchací systém.

Foxp2 sa stal „rečovým genómom“ relatívne nedávno: na konci minulého storočia sa ukázalo, že práve jeho mutácie boli príčinou vrodených porúch vnímania reči.

Mechanizmus účinku, ako aj všetky funkcie tohto faktora však zostali dodnes neznáme. Pri pohľade do budúcnosti povieme, že po Enardovej práci je veľa otázok, hoci vedcom sa podarilo opísať účinky ľudskej verzie Foxp2 na myši. Autori publikácie Cell, ktorej zoznam spolu s ústavmi zabral celú prvú stranu článku, sa pokúsili odpovedať na dve otázky naraz: aká je úloha Foxp2 ako celku a aký je rozdiel medzi účinkami ľudského Foxp2 a myš Foxp2.

Aby to urobili, museli najprv vyšľachtiť myši heterozygotné pre tento gén – Foxp2wt / ko (divoký typ / knockout), to znamená, že jeden variant tohto génu bol „divoký“ – myš a druhý bol úplne vypnutý. Okrem tejto skupiny vedci získali myši Foxp2hum / hum (človek), ktoré mali v oboch polohách ľudský variant génu. Potom Enard a kolegovia, medzi ktorými bol aj „hlavný špecialista“ na genóm neandertálskeho človeka Svante Peebo, vyhodnotili myši podľa takmer tristo fyziologických kritérií.

„Poľudštené“ myši sa nikdy nenaučili rozprávať a dokonca mali menšiu sekréciu dopamínu a vyblednuté výskumné nadšenie, no vydávali kvantitatívne odlišné ultrazvuky.

Absencia jednej kópie génu viedla k absolútne opačnému efektu, čo opäť dokazuje úlohu ľudskej verzie Foxp2 vo všetkých pozorovaných javoch. Dôvod týchto rozdielov je v bazálnych jadrách telencephalonu. Práve tu dochádza k presmerovaniu signálov z mozgovej kôry do svalov a tu dochádza k „uzavretiu“ mnohých reflexov. Pokles aktivity pri hľadaní a štúdiu nových predmetov sa vysvetľuje nízkou hladinou dopamínu – sprostredkovateľa rozkoše, ktorý takéto správanie stimuluje.

Pokiaľ ide o hlavnú tému diskusie - vplyv na reč, tu sa väčšina rozdielov ukázala ako nevýznamná, aj keď autori dokázali nájsť malý rozdiel:

„Humanizované“ myši mali tendenciu vydávať viac individuálnych zvukov a používali na to nižšie špičkové frekvencie ako knockoutované myši pre jeden z génov.

To však len demonštruje úlohu konkrétnej ľudskej verzie, a nie Foxp2 ako celku.

Zdá sa, že Foxp2 má najväčší vplyv na rozpoznávanie reči a zvuku a centrálnu reguláciu reči. Myši, ktoré sa počas života nenaučili rozprávať, povedali vedcom po pitve to najzaujímavejšie:

U „humanizovaných“ myší sa ukázalo, že priemerná dĺžka krátkych výbežkov nervových buniek – dendritov – bola o 22 % dlhšia.

To prispieva k vytvoreniu väčšieho počtu kontaktov medzi bunkami a následne k efektívnejšej práci nervového systému a najmä sluchového analyzátora.

Enard tak opäť potvrdil fakt, že evolúciu v rámci tak dokonalej skupiny, akou sú zvieratá, mali na svedomí najmä transkripčné faktory, a nie gény v obvyklom zmysle slova. Zostáva hľadať Foxp2 v papagájoch a otázka jeho úlohy bude definitívne vyriešená.

Porovnanie celých genómov rôznych druhov pomohlo pochopiť, prečo sú ľudia a šimpanzy takí rozdielni, a to aj napriek veľkej podobnosti ich genómov. V posledných rokoch boli sekvenované genómy tisícok druhov (hlavne mikroorganizmov). Ukázalo sa, že najdôležitejšie je, v ktorej časti zmien genómu dochádza, a nie ich celkový počet. Inými slovami, na vytvorenie nového druhu nepotrebujete príliš meniť genóm. Aby sa náš spoločný predok so šimpanzmi zmenil na ľudí, nebolo potrebné zrýchľovať tempo molekulárnych hodín ako celku. Tajomstvom bolo rýchlo urobiť zmeny na miestach, kde by mali výrazný vplyv na fungovanie celého tela. Takýmto príkladom, spolu so sekvenciou HAR1, je rýchlo sa meniaca sekvencia obsiahnutá v géne FOXP2.

Je známe, že súvisí s rečou: v roku 2001 sa ukázalo, že ľudia nesúci mutácie v tomto géne nie sú schopní produkovať niektoré rýchle pohyby svalov tváre potrebné na artikuláciu slov, napriek tomu, že majú normálne kognitívne rečové schopnosti. . Normálne má táto sekvencia niekoľko rozdielov od sekvencie u šimpanzov: dve nukleotidové substitúcie, ktoré zmenili jej proteínový produkt, a mnoho ďalších substitúcií, ktoré zjavne ovplyvnili, ako, kedy a kde sa tento proteín v ľudskom tele používa.

Nedávny objav vrhol trochu svetla na otázku, kedy hominidi vyvinuli rečovú verziu FOXP2. V roku 2007 vedci z Inštitútu Maxa Plancka pre evolučnú antropológiu v Lipsku sekvenovali FOXP2 extrahovaný z pozostatkov neandertálcov a zistili, že títo vyhynutí ľudia vlastnili modernú ľudskú verziu génu. Je pravdepodobné, že mohli hovoriť rovnako ako my. Najnovšie odhady doby oddelenia evolučných línií neandertálcov a moderných ľudí naznačujú, že nová forma FOXP2 sa objavila najneskôr pred pol miliónom rokov. Väčšina znakov, ktoré odlišujú ľudskú reč od zvukovej komunikácie u iných zvierat, však nie sú spôsobené fyzickými údajmi, ale