Как генът на речта помага да се учи. „Генът на речта“ FOXP2 се оказа регулатор на високо ниво. Гените и генът на речта реч

Питър Боргер и Роял Труман

Речта дава на хората способността да общуват ефективно и е може би най-забележителната характеристика, която отличава хората от другите живи същества. Някои хора обаче се раждат с нарушено и забавено развитие на речта. Този синдром е известен като специфично нарушение на речта(SRR). Децата, страдащи от специфично говорно разстройство, изостават значително в развитието и възприемането на речта в сравнение с техните връстници, което води до трудности при ученето и четенето в училище. Не толкова отдавна в едно семейство, в което се наблюдава специфично нарушение на речта в продължение на три поколения, беше открит увреден ген - FOXP2. Същият ген FOXP2е открит при други хора, страдащи от същото заболяване. Хората с увреден ген FOXP2 са по-склонни да имат специфично говорно разстройство, но същите мутационни варианти не винаги водят до това разстройство, което показва сложността на говорната генетика.

Изследователи от Института по антропология към университета в Цюрих използваха изчислителна палеоантропология, за да реконструират външен виднеандерталско дете, базирано на останки от череп (изложба Гибралтар 2) и сравнителна характеристикаскелетната система и морфологията на меките тъкани на съвременния човек.

(Изображението е взето от de.wikipedia.org)

Цялата ДНК последователност на човешкия FOXP2 ген е дешифрирана; генетичните хомологии на шимпанзето, орангутана, маймуната резус и мишката също наскоро бяха дешифрирани. катерици FOXP2шимпанзетата, горилите и маймуните резус са идентични. Същите протеини в орангутана и шимпанзето се различават само по две аминокиселини извън Q зоните (Q зоните не се вземат предвид, тъй като те са обект на бързи мутации поради нестабилни ДНК полимерази). В сравнение с тези пет примера, човешката версия на ДНК последователността се различава в два фрагмента. Фигура 1 показва, че 'N' присъства в аминокиселинен остатък 304 при хората и 'T' в останалите пет организма; при аминокиселинен остатък 326, „S“ присъства при хората и „N“ в останалите пет организма. Тези две вариации на аминокиселини присъстват във всички 226 изследвани човешки проби и са типичен пример за последователността на човешкия FOXP2 ген. По този начин FOXP2 гените и протеините могат да се използват като индикатор ген- генетичният механизъм, който прави разлика между хора, примати и други животински видове (Фигура 1).

Скорошен анализ на ДНК на неандерталеца, който според еволюционната хронология е еволюирал преди около 400 000 години, показа, че те имаха абсолютно същия генен протеин FOXP2 (изолиран от ДНК последователност) като съвременните хора, включително N и S съвпадения на позиции 304 и 326, съответно. В допълнение към морфологичните и физиологични доказателства за съществуването на гласов тракт, който включва съвременната хиоидна кост, молекулярната биология предоставя доказателства, че неандерталците са имали всички характеристики, необходими, за да говорят английски. трудни езици. По този начин гените FOXP2, открити в неандерталците, доказват, че те наистина са били Хомо сапиенс. Тези заключения са напълно съвместими с креационистката позиция, че неандерталците са били хора, живели след Потопа на територията съвременна Европаи Азия.

Снимка 1.Тези букви назовават водещите 330 аминокиселини на генния протеин FOXP2 при хора, шимпанзета, горили, орангутани, маймуни резус и мишки. Тези аминокиселинни последователности показват две полиглутаминови участъци (маркирани в червено), които отличават човешката аминокиселинна последователност от други бозайници, показани тук (N на позиция 304 и S на позиция 326). Последните 386 аминокиселини на гена FOXP2 са идентични при всички видове и не са показани тук. Тези последователности са представени в Enard et al.

Връзки и бележки

Абонирайте се за бюлетин

Статия за конкурса "био/мол/текст": Смята се, че речта е уникална за хората, но други видове имат свои собствени форми на комуникация, базирани на механизми, подобни на тези на хората. Сходството до голяма степен се определя от близостта на техните генетични основи. Героят на тази история е FOXP2- се нарича „ген на речта“, но именно в хората той придоби такива свойства, които ни позволиха да станем това, което сме.

"Био/мол/текст" -2015г

Спонсор на номинацията "Най-добра статия за механизмите на стареене и дълголетие" е фондация "Наука за удължаване на живота". Наградата на публиката бе спонсорирана от Хеликон.

Спонсори на конкурса: лаб биотехнологични изследвания 3D Bioprinting Solutions и студио за научна графика, анимация и моделиране Visual Science.

В края на 80-те години на миналия век в училище в западен Лондон учители забелязват, че седем деца с говорни проблеми растат в едно семейство. Това семейство (в научна литературатя се появява под името „семейство KE“) е от пакистански произход и по-внимателно проучване на нейните членове разкрива, че има хора с говорни проблеми в три поколения от това семейство (фиг. 1). Имаха трудности при произнасянето на думи и понякога думите бяха заменени с подобни. Ако говореха руски, тогава, например, вместо думата „фурна“, те биха казали „теч“. В семейството са установени леки, леки нарушения и по-тежки форми на говорни нарушения, които сериозно затрудняват общуването.

Фигура 1. Генеалогично дърво на семейство KE.В три поколения от семейството са открити хора с различни по тежест говорни проблеми. (защриховани с черни цифри). Бяха и от двата пола: мъже (квадрати)и жените (кръгове).

Като се има предвид, че проблемите с говора се предават от поколение на поколение, лекарите, които са изследвали семейството на KE, предполагат, че някакъв вид генетично разстройство лежи в основата на тези разстройства. Трудности с речта възникнаха при представители на двата пола, което означава, че „виновният“ ген не е на половите хромозоми (X или Y), а на автозомите. В резултат на това екип от генетици от Оксфорд успя да определи, че желаният ген се намира на 7-та хромозома. Също така семейството KE е изследвано от лингвисти - например Мирна Гопник ( Мирна Гопник) от Канада. Те предполагат, че нарушенията на говора в семейството са причинени от мутация в "граматичния ген", който е отговорен за синтактично и граматически правилното изграждане на фрази. По-късно се установява, че представителите на изследваното семейство имат проблеми не само със синтаксиса и артикулацията, но и като цяло трудно контролират езика и устните. Това разстройство по-късно е наречено вербална диспраксия. Мозъкът на членовете на семейството на KE не знае как точно да контролира устните и езика, в резултат на което думите не се произнасят правилно ( см.странична лента).

Как възниква речта в мозъка

За формирането на нормална реч е важна координираната работа на две части на мозъчната кора - Зоните на Брокавъв фронталния кортекс и Зони на Верникев темпоралния лоб. Зоната на Брока е отговорна за произношението на думите, за моторния компонент на речта. Ако тази част от мозъка е повредена, например, по време на инсулт, пациентът се развива двигателна афазия- невъзможност за произнасяне на думи или изразено ограничение в броя на изговорените думи. Ако патологичният процес засяга зоната на Вернике, това води до сензорна афазия (афазия на Вернике) - нарушено разбиране на речта. Пациент с тежка сензорна афазия не разбира какво му говорят другите хора: вместо думи той чува неясен набор от звуци. Представителите на семейство КЕ са имали проблеми с функционирането на фронталния кортекс, т.е. нарушенията на речта им са били вариант на моторна афазия.

Генът, който учените от Оксфорд са локализирали на 7-та хромозома, впоследствие е кръстен FOXP2 (Forkhead box протеин P2). Той е активен както в мозъка, така и в белите дробове и червата. FOXP2е един от многото регулаторни гени, принадлежащи към семейството лисица-гени. Въз основа на гена се синтезира транскрипционен фактор, който не участва пряко в биохимичните процеси, но може да взаимодейства с десетки и стотици промоторни региони на други гени и да регулира тяхната активност. Промяната на този ген кара всички "подчинени" на него гени да не вършат работата си правилно.

Какво прави FOXP2ген кажи?

всичко лисица-гените регулират нормалното развитие на ембриона, и FOXP2- не е изключение. Експресията на този ген се увеличава в прогениторните клетки на мозъчните неврони и когато е изключена FOXP2тяхното появяване е потиснато. Един от начините за това FOXP2регулира узряването на клетките, е неговият контрол върху генната активност SRPX2 (протеин, съдържащ повторение на суши, свързан с Х 2), кодиращ структурата на протеина пероксиредоксин. Чрез този ген FOXP2контролира образуването на синапси (синаптогенеза) и намалена активност SRPX2води до нарушаване на синаптогенезата и звуковата комуникация при мишки.

По време на еволюционния процес ДНК може да се променя произволно, тоест в молекулата възникват мутации. Нар. замествания в нуклеотидната последователност, при които структурата на протеина не се променя синоними. Ако замяна в ДНК води до появата на нова аминокиселина в протеин, тогава такава замяна се счита несинонимичнии като правило води до промяна във функцията на протеина. В изследването на молекулярната еволюция FOXP2възникнаха интересни обстоятелства. Този ген е един от най-запазените в човешката ДНК и най-големите промени в FOXP2в рамките на групата на приматите се е случило след разминаването на еволюционните линии на хората и шимпанзетата – нашите най-близки роднини. При маймуните резус, горилите и шимпанзетата се наблюдават само синонимни замествания на ДНК и само при орангутаните има едно несинонимно заместване (фиг. 2). Високият консерватизъм на структурата на гена е свързан с множеството функции, които той регулира и тяхното значение за развиващия се организъм. Ако мутацията FOXP2имаше такива форми на протеина, кодиран от него, които не изпълняваха необходими функциинапълно, това доведе до неправилно развитие на ембриона и неговата смърт. Такива мутации не могат да бъдат предадени на следващото поколение. Две несинонимни замествания, възникнали при хората в гена FOXP2, очевидно е дал сериозно предимство на нашите предци и е залегнал в генома Хомо сапиенс.

Фигура 2. Генна еволюция FOXP2. Числата, посочени през линията, представляват броя на заместванията (мутации) в ДНК последователността: броят на несинонимните замествания е даден преди реда, а броят на синонимните - след реда. При хората, например, са настъпили само две замествания в сравнение с шимпанзетата, но и двете не са синоними, тоест водят до качествена промяна в гена. В същото време при мишки се наблюдават 131 синонимни замествания и само едно несинонимно заместване.

птичи трели

Ако човек има ген FOXP2свързан с речта, то при други животни трябва да регулира подобни функции. Първото нещо, което идва на ум, е птича песен. Може да си мислите, че птиците винаги пеят по един и същи начин, но това не е така. Пеенето е един от инструментите за привличане на вниманието на членовете на техния вид. Пеенето в присъствието на женски се нарича насочени, а когато мъжките пеят "за душата" или с цел обучение, тогава се счита такова пеене ненасочен. Зад леките и ефирни трели на пойните птици се крие тяхната ясна и добре координирана работа. нервна системаи механизмите на гените, които управляват функционирането му.

Моделният организъм за изучаване на генните основи на пеенето на птици са зебровите чинки ( Taeniopygia guttata) (фиг. 3) и най-изучената (по отношение на пеенето) част от мозъка на птиците - регион X (зона X), разположен в стриатума - стриатум. Птиците, чиято песен се променя със сезона, показват промени в зоната X през годината. Той се увеличава по време на размножителния период, когато птицата трябва да спечели женска, и намалява, когато този период от време приключи. Увеличаването на площта X при птиците е пряко свързано с образуването на нови синапси за усвояване на нови техники за пеене.

Фигура 4. Изразяване FoxP2. С насочени (насочен)пеене, нивото на генна експресия е по-високо, отколкото при ненасочено (нережисиран). Тази връзка може да показва, че по-хармоничното пеене изисква координирана дейност на нервната система, която се осигурява от FoxP2.

Зебровите чинки не са птици, чиято песен се променя със сезоните; то е по-характерно за съчетание на режисирано и нережисирано пеене през цялата година. Да се ​​учи дейност FoxP2не по време на развитието на мозъка, а с различни видове неговата дейност, учените проведоха следния експеримент. Няколко мъжки зеброви птици пееха "за душата", в отсъствието на женски и мъжки от техния вид, а други мъжки пееха на женски, които бяха постоянно сменяни от експериментаторите. Имаше и контролна група птици, които не пееха. По време на експеримента е направен аудиозапис на птичи песни. Оказа се, че при ненасочено пеене нивото на изразяване FoxP2намалява и остава високо, когато е насочено (фиг. 4). Въпреки това, при ненасочено пеене се забелязва по-голямо разнообразие от мелодии, отколкото при насочено пеене. Тази разлика може да се обясни с нивото на изразяване FoxP2: Колкото по-интензивно е изражението, толкова по-подредени и стабилни стават песните на птицата. Заслужава да се отбележи, че учените, които са провели изследването, не посочват причината, поради която чинките, които не пеят, имат ниво на изразяване FoxP2остана високо.

Друго проучване върху зеброви аминички изясни ролята FoxP2при формиране на певчески способности. Установено е, че има две популации от неврони в зона X. Първата популация се състои от неврони с висока активност FoxP2, втората - с ниска. По време на съзряването на птицата броят на невроните от първата популация намалява (фиг. 5), а с това намалява и разнообразието от птичи песни. Въпреки това нивото на изразяване FoxP2все още се увеличава с насочено пеене, което показва двуфазен ефект на този ген. По време на съзряването невроните, които активно експресират FoxP2, са отговорни за окончателното формиране на регион X. След достигане на функционална зрялост се наблюдава повишаване на генната активност по време на насочено пеене, което изисква кохерентност и яснота. Ако нарушите израза FoxP2в зона X, тогава, когато се учат да пеят, птиците възпроизвеждат мелодии с грешки и не изцяло. Ако „генът на речта“ е нарушен, нормалната променливост на мотивите за пеене при млади и възрастни птици също се нарушава. Това се дължи на прекъсване на допаминергичната модулация на активността на областта X. FoxP2участва в образуването на допаминови рецептори върху дендритите на невроните на областта X и системата за предаване на сигнала от тях в клетката, което означава, че промяната в неговата експресия води до проблеми в тази схема. По-подробно сходството на генетичните механизми на формирането на птичи песни и човешка реч е описано в статията на Елена Наймарк за „Елементи“.

Фигура 5. Възрастови разлики в броя на невроните, принадлежащи към различни популации при зебровите чинки.Популацията от неврони, които активно експресират FoxP2, постепенно намалява с възрастта. Размерът на популацията от "ниско активни" неврони няма нищо общо с възрастта на птицата.

Мики Маус с глава

Съвременни методи молекулярна биологияпозволяват "трансплантиране" на гени от един организъм в друг. Възможно е въвеждането на човешки FOXP2в генома на друго животно, за да разберем какви предимства дава този генен вариант в мозъка.

Първата работа в тази посока е извършена през 2009 г. Обект на изследване на учените са станали мишки, в генома на които има "миши" вариант Foxp2заменено с "хуманизирано". Трябва да се уточни, че не целият ген се е променил, а само два нуклеотида, които определят разликата в аминокиселинните последователности на протеина FOXP2 на човека и шимпанзето (мишият протеин се различава с още една аминокиселина). Всички мишки с "човешки" ген ( тананикам) оцеляха и успяха да се възпроизвеждат. Проучването сравнява друг тип мишка ( тегл./ко), в който един от алелите на ген Foxp2принадлежеше на обикновена мишка ( див тип тегл), а другият е генен вариант, открит при хора с говорни нарушения ( ко). Изследвани са и "нормални" мишки, като резултатите от тях са приети за условна норма, но не са взети под внимание при обсъждането.

Фигура 6. Нива на допамин в мозъците на две групи мишки.В сравнение с wt/ko мишките мишките hum произвеждат по-малко допамин в различни мозъчни структури.

Хуманизираните мишки показват по-малко проучвателна активност от wt/ko мишките, но в същото време е по-вероятно да участват в групови контакти. При хум мишки, в сравнение с wt/ko групата, нивото на допамин, основният "мотивиращ" невротрансмитер, е по-ниско в мозъка (фиг. 6). Възможно е да има пряка връзка между нивата на допамин и изследователското поведение. Намаленото ниво на допамин при hum мишки не формира мотивация за действие толкова силно и в такова количество, както при wt/ko мишки. Не може обаче да се каже, че това е лошо. В известен смисъл, тананикащите мишки могат да бъдат описани като по-малко придирчиви и по-събрани от техните wt/ko братовчеди. В стриатума (област, богата на допаминови неврони) на мишки са открити неврони с по-дълги дендрити, процеси, които предават информация на други клетки. В допълнение, нормалният човешки вариант Foxp2повишена невропластичност в мозъка на хум мишки. Като цяло, изглежда, че „хуманизирането“ на гена е рационализирало функционирането на нервната система на мишките хуми поради по-фина настройка на предаването на допаминергичен сигнал.

Друго изследване на група европейски учени анализира различни видове обучение при мишки с човешка версия Foxp2. Има два фундаментално различни вида учене - декларативенИ процедурен. Декларативното обучение изисква съзнателен контрол върху всяко действие, осъзнаване на неговия смисъл. Процедурното обучение се осъществява чрез автоматично повторение на действията. В експеримента нормални мишки и мишки с човешки вариант Foxp2трябваше да премине през лабиринта, използвайки различни видове обучение. Процедурното обучение се случи, когато от гризачите се изискваше винаги да завиват надясно, за да намерят лакомство. В друга версия на задачата, която включваше декларативно обучение, лакомството винаги се поставяше в една и съща част на лабиринта, но тъй като мишките бяха пуснати в него от различни страни, те трябваше да вземат това обстоятелство предвид и да запомнят местоположението на наградата въз основа на допълнителни външни сигнали.

Когато видовете учене бяха изследвани поотделно, нямаше разлика между двете групи мишки: и двете групи се справиха приблизително по същия начин със задачата. Хум мишките получиха ясно предимство пред нормалните мишки, ако първо бяха обучени в „декларативен“ лабиринт и след това преминаха към „процедурен“. Очевидно при „хуманизираните“ мишки преходът от декларативно към процедурно обучение се подобрява. Според експериментаторите подобна особеност на функционирането на нервната система на мишки може да демонстрира промени в мозъка на хора, които са го адаптирали към речта. Учените по-специално смятат, че при хум мишките балансът на декларативното и процедурното обучение е изместен към процедурното обучение, докато при нормалните мишки е вярно обратното. Изследователите наричат ​​феномена на бързото превключване от декларативно обучение към процедурно обучение с увеличаване на успеха на последното процедурализация.

Този ефект на аминокиселинни замествания във Foxp2 стана възможен, защото този протеин регулира голям бройгени и в крайна сметка управлява развитието на стриатума, частта от мозъка, необходима за учене. човешка версия Foxp2удължава дендритите в стриаталните неврони и също така увеличава дългосрочната депресия ( дълготрайна депресия- VL) проводимост на сигнала в невроните и невропластичност, което също има благоприятен ефект върху мозъчната дейност. Явно в мозъка се образуват по-здрави връзки, които по-стабилно изпълняват функцията си. Резултатът от тези промени е по-добро интегриране на процесите на обучение в схемата на поведение. Процедурирането не ускорява „автоматизирането“ на дадено умение, в противен случай мишките хъм щяха да получат голямо предимство пред конвенционалните мишки още на етапа на изолирано тестване на различни видове обучение. Позволява ви да научите умение и впоследствие да научите подобни действия с ускорено темпо, на автоматично ниво, тоест „тъпче пътека“ за друга информация. По принцип това е много подобно на преподаването на реч, когато дете, след като е научило основите, започва да се учи самостоятелно, буквално в движение, включително да конструира думи самостоятелно.

Може би най-забележителният принос FOXP2в еволюционната история на нашия вид е процедуризиране на нашето обучение, което опростява не само речта. Това може да доведе до по-ефективно производство на инструменти, развитие на приготвянето на храна и други важни компоненти на нашата култура. Ако развихрите въображението си, можете да си го представите съвременна цивилизациявъзникна от две аминокиселинни промени в протеина FOXP2, което е доста вълнуваща идея.

Литература

1. Саймън Е. Фишър, Фаране Варга-Хадем, Кейт Е. Уоткинс, Антъни П. Монако, Маркъс Е. Пембри. (1998). Локализация на ген, свързан с тежко говорно и езиково разстройство. Нат Генет. 18 , 168-170;
2. Кейт Е Уоткинс, Дейвид Г. Гадиан, Фаране Варга-Хадем. (1999). Функционални и структурни аномалии на мозъка, свързани с генетично разстройство на речта и езика. Американският журнал за човешка генетика. 65 , 1215-1221;
3. Д. Цуи, Дж. П. Веси, Х. Томита, Д. Р. Каплан, Ф. Д. Милър. (2013). FoxP2 регулира неврогенезата по време на ембрионалното кортикално развитие. Journal of Neuroscience. 33 , 244-258;
4. Г. М. Сиа, Р. Л. Клем, Р. Л. Хуганир. (2013). Свързаният с човешкия език ген SRPX2 регулира образуването на синапс и вокализацията при мишки. Наука. 342 , 987-991;
5. Волфганг Енард, Моли Пшеворски, Саймън Е. Фишър, Сесилия С. Л. Лай, Виктор Уибе и др. др. (2002). Молекулярна еволюция на FOXP2, ген, участващ в речта и езика. Природата. 418 , 869-872;
6. Ф. Нотебом. (1981). Мозък за всички сезони: циклични анатомични промени в ядрата за контрол на песента на мозъка на канарчетата. Наука. 214 , 1368-1370;
7. И. Терамицу, С. А. Уайт. (2006). Регулиране на FoxP2 по време на ненасочено пеене при възрастни пойни птици. Journal of Neuroscience. 26 , 7390-7394;
8. Томпсън CK, Schwabe F., Schoof A., Mendoza E., Gampe J., Rochefort C., Scharff C. (2013). Млади и интензивни: Имунореактивността на FoxP2 в Зона X варира в зависимост от възрастта, стереотипа на песента и пеенето при мъжките зеброви чинки. отпред. Невронни вериги. 7 , 24;
9. Себастиан Хеслер, Кристел Рошфор, Бенджамин Георги, Павел Лицнерски, Павел Остен, Констанс Шарф. (2007). Непълна и неточна вокална имитация след нокдаун на FoxP2 в област X на базалните ганглии на пойните птици. PLoS Biol. 5 , e321;
10. Малавика Муруган, Стивън Харуърд, Констанс Шарф, Ричард Муни. (2013). Намалените нива на FoxP2 влияят на допаминергичната модулация на кортикостриаталното сигнализиране, което е важно за променливостта на песента. неврон. 80 , 1464-1476;
11. елементи:„Птичите песни и човешката реч са организирани от подобни гени“;
12. Волфганг Енар, Сабине Гере, Курт Хамершмид, Сабине М. Хьолтер, Торстен Блас и др. др. (2009). Хуманизирана версия на Foxp2 засяга вериги на кортико-базалните ганглии при мишки. клетка. 137 , 961-971;
13. допаминови заболявания;
14. Christiane Schreiweis, Ulrich Bornschein, Eric Burguière, Cemil Kerimoglu, Sven Schreiter и др. др. (2014). Humanized Foxp2 ускорява обучението чрез подобряване на преходите от декларативно към процедурно представяне. Proc Natl Acad Sci САЩ. 111 , 14253-14258.

език ген

През 1990 г. в Лондон е изследвано семейство с необичайна наследствена патология. Членовете на семейството не са имали проблеми в интелектуалната сфера, но всички са имали някакво увреждане на речта. Генетичните изследвания са довели до откриването на единичен увреден ген, отговорен за патологията, наречен FOXP2. Той веднага беше наречен "езиков геном".

Сега обаче е известно, че FOXP2 е един от регулаторните гени, участващи в много процеси, които нямат нищо общо с езика. Но най-лошото за „езиковия ген“ е, че неговите варианти са открити в почти всички организми, до дрождите. Протеинът, който е отговорен за производството му, се различава много малко между хората и дрождите.

За някои изследователи това е доказателство, че езикът изобщо няма генетичен субстрат. Този проблем обаче може да се погледне и по различен начин. Речта може да се разглежда като сложен комплексен процес, в който генът FOXP2 има специфична роля в регулирането на последователните движения на лицевите мускули. Малка мутация на гена може да доведе до неточна мускулна работа и в резултат на неясен говор.

FOXP2 прие сегашната си форма преди около 200 000-120 000 години. Беше много интересна епоха. Както показват вкаменелостите, през този период се е състояла последната миграция на нашите предци от Африка.