Ген foxp2 – Foxp2 — Википедия

«Ген речи» FOXP2 оказался регулятором высокого уровня

Американские ученые с помощью трансгенных культур тканей исследовали работу гена речи FOXP2. Они оценили экспрессию всех генов в культурах клеток с человеческим и обезьяньим вариантами FOXP2. Удалось выявить целый комплекс генов, работа которых так или иначе связана сFOXP2. Восемь из них являются прямыми мишенями этого гена, а более сотни других генов регулируются опосредованно. Весь этот генетический каскад отвечает за нормальное развитие мозга, в особенности тех отделов, от которых зависит координация движений и, в том числе, артикуляция речи. Ученые предположили, что быстрая эволюция гена FOXP2 была сопряжена с эволюцией и других генов из этого каскада.

Среди генов, отличающих человека от других приматов, особая роль отводится гену FOXP2 (см. обзорную статью Будут ли расшифрованы генетические основы разума?, «Элементы», 09.10.2006). Этот знаменитый ген, согласно классическим представлениям, отвечает за человеческую речь. То есть за ту особенную черту, которая присуща исключительно человеку. У млекопитающих этот ген весьма консервативен, например ген

FOXP2 мыши отличается от обезьяньего аналога всего одной аминокислотной заменой. А человеческая версия гена FOXP2 отличается от аналогичного гена шимпанзе двумя аминокислотными заменами. Это подразумевает быструю эволюцию гена FOXP2 в человеческой линии. Предполагается, что движущий отбор действовал в направлении совершенствования функции именно этого гена, и в результате человек приобрел способность к членораздельной речи. Поэтому легко понять, насколько пристальное внимание ученые уделяют исследованию этого гена.

Предшествующие работы выявили ряд заболеваний, которые вызываются мутациями гена FOXP2; эти заболевания проявляются в дефектах речи и строения черепно-лицевого отдела, в умственной неполноценности. Отсюда можно заключить, что ген FOXP2

связан с речью. Примечательное исследование функций FOXP2 было проведено Вольфгангом Энардом (Wolfgang Enard) с коллегами в Институте Макса Планка (Лейпциг, Германия). Немецкие ученые вывели трансгенных мышей, несущих человеческий FOXP2. Трансгенные мыши выросли вполне здоровыми, хотя некоторыми чертами отличались от нормальных мышей. В числе основных отличий авторы исследования назвали удлинение дендритов и увеличение синаптической пластичности в базальных ядрах, или ганглиях мозга, снижение уровня дофамина, снижение исследовательской активности и понижение тембра голоса.

В новом исследовании американских специалистов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Йеркского национального приматологического исследовательского центра и Отделения патологии и медицины Университета Эмори (Атланта) показано, насколько в действительности многообразны связи и функции гена FOXP2. Они явно не ограничиваются формированием членораздельной речи, а, скорее, направлены на координацию целого каскада генов и белков, необходимых для развития и нормальной работы мозга.

Эта работа основана на множестве различных биохимических и генетических методик, которые в совокупности призваны выявить различия в составе генов и белков, связанных с экспрессией FOXP2 у человека и шимпанзе. Во-первых, трансгенным путем были выведены культуры предшественников нервных клеток, у которых вместо человеческого FOXP2 работал шимпанзиный аналог с соответствующими двумя аминокислотными заменами. Далее сравнили экспрессию всех (!) генов в нормальных и трансгенных клетках. Ясно, что разница в экспрессии генов в двух культурах в данном случае должна быть отнесена только на счет различий в работе гена FOXP2 (естественно, исследователи имели в распоряжении несколько трансгенных повторов для статистики).

В целом шимпанзиный FOXP2 производится активнее, то есть в клетках его больше, чем человеческого. Выяснилось также, что в культурах с шимпанзиным и человеческим

FOXP2 различается экспрессия 116 генов: в человеческом варианте 61 ген демонстрирует увеличенную экспрессию, а 55 генов — пониженную экспрессию. Некоторые из этих генов являются прямыми генами-мишенями FOXP2, то есть FOXP2 связывается непосредственно с промоторами этих генов. Для других FOXP2 является косвенным регулятором, действуя опосредованно через другие регуляторы. Действительно, промоторы некоторых выбранных генов из этого массива по-разному связывались с человеческим и шимпанзиным FOXP2 (эта часть опыта была сделана с помощью иммунологических тестов со светящимися белками).

В результате анализа строения отдельных генов и их взаимовлияния друг на друга ученые получили схему целого блока генетических связей (см. ниже схему из обсуждаемой статьи). В эту схему включены те гены, которые так или иначе изменяют свою работу в зависимости от модификации FOXP2. Получен еще и другой каскад генов, также завязанных на

FOXP2, но работающих одинаково с обеими модификациями этого гена.

Раньше было показано, что гены DLX5 и SYT4 — а они являются важными узлами на этой схеме — регулируют развитие и нормальную работу мозга. Теперь понятно, что эти гены представляют только часть целой регуляторной сети. В данный регуляторный каскад попали некоторые гены, мутации в которых вызывают тяжелые наследственные заболевания. К ним относится, например, ген PPP2R2B (на схеме см. справа внизу, над геном EBF3), дефекты которого приводят к особой форме мозжечковой атаксии. Симптомом этого заболевания является расстройство речи.

Также в этой схеме присутствуют гены, для которых, как и для FOXP2, доказано действие движущего отбора в человеческой линии. К таким генам относится ген AMT. Отличия нуклеотидных последовательностей этого гена от обезьяньих аналогов весьма значительны. Можно предположить, что имела место сопряженная ускоренная эволюция выборочной части этого каскада, приведшая к важным «человеческим» изменениям в работе мозга.

Все эти результаты были получены на культурах зародышевых предшественников нервных клеток, но не сформированных клеток взрослых индивидуумов. Понятно, что во «взрослых» клетках, которые, собственно, работают у человека говорящего, могут экспрессироваться совсем другие белки под руководством другого регуляторного каскада. Ученые, предвидя это вполне очевидное возражение, провели дополнительное исследование. Они оценили экспрессию генов в тканях различных участков мозга у взрослых людей и шимпанзе и сравнили с результатами, полученными для соответствующих клеточных культур (клеточные культуры с геном шимпанзе сравнивали с мозгом взрослого шимпанзе, а культуры с человеческим геном — с человеческим мозгом). Выяснилось, что картина экспрессии генов в культурах клеток чрезвычайно похожа на таковую в тканях «взрослого» мозга. Сходство оказалось высоким и для человеческих клеток и для клеток с геном шимпанзе.

Проведенная работа еще раз подтвердила, что различия между человеком и обезьяной нельзя объяснить только различиями в белок-кодирующих последовательностях. Самые важные «человеческие» признаки, в том числе связанные с работой мозга, формируются за счет изменения регуляции и количественных различий в экспрессии генов. Наиважнейшим регуляторным фактором, изменяющий экспрессию целого комплекса генов, является ген FOXP2. Среди множества функций этого гена-регулятора находится и контроль работы мышц, участвующих в формировании речи. Но, несмотря на закрепившуюся репутацию руководителя речи, ген FOXP2 выполняет и другие, не менее важные задачи в клетках мозга.

Источник: Genevieve Konopka, Jamee M. Bomar, Kellen Winden, Giovanni Coppola, Zophonias O. Jonsson, Fuying Gao, Sophia Peng, Todd M. Preuss, James A. Wohlschlegel, Daniel H. Geschwind. Human-specific transcriptional regulation of CNS development genes by FOXP2 //

Nature. 2009. V. 462. P. 213–217.

См. также:
Enard et al. (2009). A humanized version of FOXP2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice // Cell. V. 137. P. 961–971. 29 May 2009 (статья с описанием экспериментов с трансгенными мышами, у которых вместо мышиного FOXP2 был интродуцирован человеческий FOXP2).

Елена Наймарк

elementy.ru

как ген, ответственный за речь, изменил судьбу нашего вида

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Речь считается уникальной чертой, свойственной только людям, но и у других видов есть свои формы коммуникации, которые основаны на механизмах, схожих с человеческими. Схожесть во многом определяется близостью их генетических основ. Герой этого рассказа — ген FOXP2 — назван «геном речи», но именно у людей он приобрел такие свойства, которые позволили нам стать теми, кто мы есть.

«Био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В конце 80-х годов XX века в одной из школ в западной части Лондона учителя заметили, что семеро детей, у которых были проблемы с речью, росли в одной семье. Эта семья (в научной литературе она фигурирует под названием «семейство КЕ») имела пакистанское происхождение, и при более внимательном изучении ее членов выяснилось, что в трех поколениях этой семьи есть люди, имеющие проблемы с речью (рис. 1). У них возникали трудности с произношением слов, и иногда слова заменялись близкими по звучанию. Если бы они говорили на русском, то, например, вместо слова «печь» произносили бы «течь». В семье были обнаружены мягкие, небольшой степени выраженности, расстройства и более тяжелые формы речевых нарушений, серьезно затрудняющие общение.

Рисунок 1. Генеалогическое древо семьи KE. В трех поколениях семьи обнаруживались люди, имеющие проблемы с речью разной тяжести (закрашенные черным фигуры). Это были представители обоих полов: мужчины (квадраты) и женщины (круги).

Учитывая, что проблемы с речью передавались из поколения в поколение, доктора, изучавшие семью KE, предположили, что в основе этих расстройств лежит какое-то генетическое нарушение. Трудности с речью возникали у представителей обоих полов, а значит, «виновный» ген находился не на половых хромосомах (X или Y), а на аутосомах. В итоге команда генетиков из Оксфорда смогла определить, что искомый ген находится на 7-й хромосоме [1]. Также семью KE изучали лингвисты — например, Мирна Гопник (

Myrna Gopnik) из Канады. Они предположили, что речевые расстройства в семье вызваны мутацией «грамматического гена», который отвечает за синтаксически и грамматически правильное построение фраз. В дальнейшем было установлено, что представители изучаемой семьи имели проблемы не только с синтаксисом и артикуляцией, но и в целом испытывали затруднения в управлении языком и губами [2]. Это расстройство было позднее названо вербальной диспраксией. Мозг представителей семьи KE не умел точно управлять губами и языком, вследствие чего слова не произносились правильно (см. врезку).

Как в мозге возникает речь

Для формирования нормальной речи важна слаженная работа двух участков коры головного мозга — зоны Брока в лобной коре и зоны Вернике в височной доле. Зона Брока отвечает за произношение слов, за двигательную составляющую речи. При повреждении этого участка мозга, например, при инсульте, у пациента возникает моторная афазия — невозможность произносить слова или выраженное ограничение в количестве произносимых слов. Если патологический процесс затрагивает зону Вернике, то это приводит к сенсорной афазии (афазии Вернике) — нарушению понимания речи. Пациент с выраженной сенсорной афазией не понимает, что ему говорят другие люди: вместо слов он слышит неясный набор звуков. У представителей семьи КЕ возникли проблемы функционирования лобной коры, то есть их нарушения речи представляли собой вариант моторной афазии.

Зоны коры головного мозга, ответственные за речь.

Ген, который оксфордские ученые локализовали на 7-й хромосоме, в последующем был назван FOXP2 (Forkhead box protein P2). Он активен в мозге, а также в легких и кишечнике. FOXP2 — это один из множества генов-регуляторов, относящихся к семейству FOX-генов. На основе гена синтезируется фактор транскрипции, который не участвует напрямую в биохимических процессах, но зато может взаимодействовать с десятками и сотнями промоторных областей других генов и регулировать их активность. Изменение этого гена приводит к тому, что все «подчиняющиеся» ему гены не будут выполнять свою работу правильно.

What does FOXP2 gene say?

Все FOX-гены регулируют нормальное развитие эмбриона, и FOXP2 — не исключение. Экспрессия этого гена повышена в клетках-предшественниках нейронов головного мозга, а при выключении FOXP2 подавляется их возникновение [3]. Одним из способов, которым FOXP2 регулирует созревание клеток, является его контроль над активностью гена SRPX2 (sushi repeat—containing protein X-linked 2), кодирующего структуру белка пероксиредоксина. Через этот ген FOXP2 управляет образованием синапсов (синаптогенезом), а пониженная активность SRPX2 приводит к нарушению синаптогенеза и звукового общения у мышей [4].

В ходе эволюционного процесса ДНК может изменяться случайным образом, то есть в молекуле происходят мутации. Замены в последовательности нуклеотидов, при которых структура белка не изменяется, называются синонимичными. Если же замена в ДНК приводит к появлению новой аминокислоты в белке, то такая замена считается несинонимичной и, как правило, ведет к изменению функции белка. При изучении молекулярной эволюции FOXP2 вскрылись интересные обстоятельства [5]. Этот ген — один из самых консервативных в человеческой ДНК, и наибольшие изменения в FOXP2 внутри группы приматов произошли после расхождения эволюционных линий человека и шимпанзе — наших ближайших родственников. У макак-резусов, горилл и шимпанзе происходили только синонимичные замены в ДНК, и лишь у орангутанов была одна несинонимичная замена (рис. 2). Высокая консервативность структуры гена связана с множеством функций, которые он регулирует, и их важностью для развивающегося организма. Если при мутации FOXP2 возникали такие формы кодируемого им белка, которые не выполняли необходимые функции полностью, это приводило к неправильному развитию зародыша и его гибели. Такие мутации не могли передаваться следующему поколению. Две несинонимичные замены, которые возникли у человека в гене FOXP2, по-видимому, дали нашим предкам серьезное преимущество и закрепились в геноме Homo sapiens.

Рисунок 2. Эволюция гена FOXP2. Цифры, указанные через черту, представляют собой количество замен (мутаций) в последовательности ДНК: до черты приведено количество несинонимичных замен, после черты — синонимичных. У человека, например, в сравнении с шимпанзе произошли всего две замены, но обе были несинонимичными, то есть привели к качественному изменению гена. В то же время у мышей произошла 131 синонимичная замена и всего одна несинонимичная.

Птичьи трели

Рисунок 3. Зебровая амадина — модельный организм для изучения механизмов пения у птиц.

Если у человека ген FOXP2 связан с речью, то у других животных он должен регулировать похожие функции. Первое, что приходит в голову — это пение птиц. Возможно, вам кажется, что птицы всегда поют одинаково, но это не так. Пение — один из инструментов для привлечения внимания представительниц своего вида. Пение в присутствии самок называется направленным, а когда самцы поют «для души» или с целью тренировки, то такое пение считается ненаправленным. За легкими и воздушными трелями певчих птиц стоит четкая и слаженная работа их нервной системы и машинерии генов, управляющих ее функционированием.

Модельным организмом для изучения генных основ птичьего пения является зебровая амадина (Taeniopygia guttata) (рис. 3), а самым изученным (в отношении пения) отделом мозга птиц — область X (area X), расположенная в полосатом теле — стриатуме. Птицы, чье пение меняется в зависимости от сезона, демонстрируют изменения области X в течение года [6]. Она увеличивается в сезон размножения, когда птице необходимо завоевать самку, и становится меньше, когда этот период времени заканчивается. Увеличение области X у птиц напрямую связано с образованием новых синапсов для овладения новыми певческими приемами.

Рисунок 4. Экспрессия FoxP2. При направленном (directed) пении уровень экспрессии гена выше, чем при ненаправленном (undirected). Эта связь может указывать на то, что для более стройного пения необходима слаженная активность нервной системы, которую и обеспечивает FoxP2.

Зебровая амадина не относится к птицам, чье пение меняется в зависимости от сезона; для нее более характерно сочетание направленного и ненаправленного пения в течение всего года. Чтобы изучить активность FoxP2 не во время развития мозга, а при разных видах его активности, ученые провели следующий опыт. Несколько самцов зебровой амадины пели «для души», в отсутствие самок и самцов своего вида, а другие самцы пели самочкам, которых постоянно меняли экспериментаторы. Также имелась контрольная группа из птиц, которые не пели. Во время эксперимента проводилась аудиозапись птичьих песен. Выяснилось, что при ненаправленном пении уровень экспрессии FoxP2 снижается, а при направленном остается высоким (рис. 4). Однако при ненаправленном пении отмечалось большее разнообразие мелодий, чем при направленном. Такую разницу можно объяснить уровнем экспрессии FoxP2: чем интенсивнее экспрессия, тем более упорядоченными и стабильными становятся песни птицы. Стоит отметить, что ученые, проводившие исследование, не указывают причину, почему у амадин, которые не пели, уровень экспрессии FoxP2 оставался высоким [7].

В другом исследовании на зебровых амадинах уточнили роль FoxP2 в формировании певческих способностей [8]. Было определено, что в области X существует две популяции нейронов. Первая популяция состоит из нейронов с высокой активностью FoxP2, вторая — с низкой. Во время взросления птицы количество нейронов из первой популяции снижается (рис. 5), а вместе с ним снижается и разнообразие птичьих песен. Однако уровень экспрессии FoxP2 всё равно возрастает при направленном пении, что указывает на двухфазное влияние этого гена. Во время взросления нейроны, в которых активно экспрессируется FoxP2, отвечают за окончательное формирование области X. После достижения функциональной зрелости повышение активности гена происходит во время направленного пения, требующего слаженности и четкости. Если нарушить экспрессию FoxP2 в области Х, то при обучении пению птицы воспроизводят мелодии с ошибками и не в полном объеме [9]. При нарушении работы «гена речи» также нарушается нормальная вариабельность певческих мотивов у молодых и взрослых птиц. Это происходит за счет нарушения дофаминергической модуляции активности области X. FoxP2 участвует в формировании дофаминовых рецепторов на дендритах нейронов области X и системы передачи сигнала от них внутрь клетки, а значит, изменение его экспрессии приводит к проблемам в этой схеме [10]. Более подробно сходство генетических механизмов формирования птичьих песен и речи человека описано в статье Елены Наймарк на «Элементах» [11].

Рисунок 5. Возрастные различия в количестве нейронов, принадлежащих к разным популяциям, у зебровых амадин. Популяция нейронов, активно экспрессирующих FoxP2, по мере взросления постепенно уменьшается. Размер популяции «низкоактивных» нейронов с возрастом птицы никак не связан.

Головастый Микки Маус

Современные методы молекулярной биологии позволяют «пересаживать» гены от одного организма другому. Можно внедрить человеческий FOXP2 в генόм другого животного, чтобы понять, какие преимущества в работе головного мозга дает этот вариант гена.

Самая первая работа в этом направлении была проведена в 2009 году [12]. Объектом исследования ученых стали мыши, в геноме которых «мышиный» вариант Foxp2 заменили «очеловеченным». Нужно уточнить, что менялся не целый ген, а лишь два нуклеотида, определяющих разницу в аминокислотных последовательностях белка FOXP2 человека и шимпанзе (белок мыши отличается еще одной аминокислотой). Все мыши с «человеческим» геном (hum) выжили и были способны оставлять потомство. В исследовании сравнивался еще один тип мышей (wt/ko), у которых один из аллелей гена Foxp2 принадлежал обычной мыши (wild type, wt), а другой представлял собой вариант гена, встречающийся у людей с нарушениями речи (ko). Также исследовались «обычные» мыши, и их результаты были приняты за условную норму, но в обсуждении не учитывались.

Рисунок 6. Уровень дофамина в мозге двух групп мышей. У hum-мышей в сравнении с wt/ko-мышами дофамина в разных структурах мозга вырабатывается меньше.

«Очеловеченные» мыши проявляли меньше исследовательской активности, чем wt/ko-мыши, но в то же время они чаще участвовали в групповых контактах. У hum-мышей в сравнении с группой wt/ko в головном мозге был ниже уровень дофамина [13] — главного «мотивирующего» нейромедиатора (рис. 6). Между уровнем дофамина и исследовательским поведением может быть прямая связь. Сниженный уровень дофамина у hum-мышей не формирует мотивации к действию такой силы и в таком количестве, как у wt/ko-особей. Однако нельзя сказать, что это плохо. В определенном смысле hum-мыши могут быть названы менее суетливыми и более собранными по сравнению со своими wt/ko-собратьями. В стриатуме (области, богатой дофаминовыми нейронами) hum-мышей были обнаружены нейроны с более длинными дендритами — отростками, передающими информацию другим клеткам. Помимо этого, нормальный человеческий вариант Foxp2 увеличивал нейропластичность в головном мозге hum-мышей. В целом складывается впечатление, что «очеловечивание» гена упорядочило работу нервной системы hum-мышей за счет более тонкой настройки дофаминергической передачи сигнала.

Другое исследование, проведенное группой европейских ученых, анализировало различные виды обучения у мышей с человеческой версией Foxp2 [14]. Существует два принципиально разных вида обучения — декларативное и процедурное. Декларативное обучение требует сознательного контроля над каждым действием, осознания его смысла. Процедурное обучение осуществляется за счет автоматического повторения действий. В эксперименте обычные мыши и мыши с человеческим вариантом Foxp2 должны были проходить лабиринт, пользуясь разными видами обучения. Процедурное обучение происходило в случае, когда грызунам требовалось всегда поворачивать направо, чтобы найти угощение. В другом варианте задания, задействовавшем декларативное обучение, лакомство всегда размещалось в одной и той же части лабиринта, но так как мышей запускали в него с разных сторон, то им приходилось учитывать это обстоятельство и запоминать расположение награды, опираясь на дополнительные внешние сигналы.

Когда виды обучения исследовали по отдельности, разницы между двумя группами мышей не было: обе группы справлялись с заданием примерно одинаково. Hum-мыши получали явное преимущество над обычными, если поначалу обучались в «декларативном» лабиринте, а затем переходили в «процедурный». По всей видимости, у «очеловеченных» мышей улучшается переход от декларативного обучения к процедурному. По мнению экспериментаторов, такая особенность функционирования нервной системы мышей может демонстрировать изменения в головном мозге людей, которые приспособили его к речи. Ученые, в частности, считают, что у hum-мышей баланс декларативного и процедурного обучения смещен в сторону процедурного, а у обычных мышей — наоборот. Феномен быстрого переключения с декларативного обучения на процедурное с повышением успешности последнего исследователи называют процедурализацией.

Такой эффект аминокислотных замен в Foxp2 стал возможен потому, что этот белок регулирует большое количество генов и в конечном счете управляет развитием стриатума — отдела мозга, необходимого для обучения. Человеческая версия Foxp2 у нейронов стриатума удлиняет дендриты, а также увеличивает долговременную депрессию (long-term depression — В.Л.) проведения сигнала в нейронах и нейропластичность, что тоже благотворно влияет на деятельность мозга. По-видимому, в мозге образуются более прочные связи, которые выполняют свою функцию стабильнее. Итогом этих изменений становится лучшая интеграция процессов обучения в схему поведения. Процедурализация не ускоряет «автоматизацию» навыка, иначе hum-мыши получили бы большое преимущество над обычными уже на стадии изолированной проверки разных видов обучения. Она позволяет усвоить навык и впоследствии обучиться схожим действиям в ускоренном темпе, на автоматическом уровне, то есть «протаптывает дорожку» для другой информации. В принципе, это очень похоже на обучение речи, когда ребенок, усвоив основы, начинает учиться сам, буквально на ходу, и в том числе самостоятельно конструировать слова.

Возможно, самым заметным вкладом FOXP2 в эволюционную историю нашего вида является процедурализация нашего обучения, которая упростила не только речь. Она могла привести к более эффективному созданию орудий труда, развитию способов приготовления пищи и возникновению прочих важных составляющих нашей культуры. Если дать волю фантазии, то можно представить, что современная цивилизация возникла благодаря двум аминокислотным заменам в белке FOXP2, и это довольно захватывающая мысль.

1. Simon E. Fisher, Faraneh Vargha-Khadem, Kate E. Watkins, Anthony P. Monaco, Marcus E. Pembrey. (1998). Localisation of a gene implicated in a severe speech and language disorder. Nat Genet. 18, 168-170;
2. Kate E Watkins, David G. Gadian, Faraneh Vargha-Khadem. (1999). Functional and Structural Brain Abnormalities Associated with a Genetic Disorder of Speech and Language. The American Journal of Human Genetics. 65, 1215-1221;
3. D. Tsui, J. P. Vessey, H. Tomita, D. R. Kaplan, F. D. Miller. (2013). FoxP2 Regulates Neurogenesis during Embryonic Cortical Development. Journal of Neuroscience. 33, 244-258;
4. G. M. Sia, R. L. Clem, R. L. Huganir. (2013). The Human Language-Associated Gene SRPX2 Regulates Synapse Formation and Vocalization in Mice. Science. 342, 987-991;
5. Wolfgang Enard, Molly Przeworski, Simon E. Fisher, Cecilia S. L. Lai, Victor Wiebe, et. al.. (2002). Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language. Nature. 418, 869-872;
6. F Nottebohm. (1981). A brain for all seasons: cyclical anatomical changes in song control nuclei of the canary brain. Science. 214, 1368-1370;
7. I. Teramitsu, S. A. White. (2006). FoxP2 Regulation during Undirected Singing in Adult Songbirds. Journal of Neuroscience. 26, 7390-7394;
8. Thompson C.K., Schwabe F., Schoof A., Mendoza E., Gampe J., Rochefort C., Scharff C. (2013). Young and intense: FoxP2 immunoreactivity in Area X varies with age, song stereotypy, and singing in male zebra finches. Front. Neural Circuits. 7, 24;
9. Sebastian Haesler, Christelle Rochefort, Benjamin Georgi, Pawel Licznerski, Pavel Osten, Constance Scharff. (2007). Incomplete and Inaccurate Vocal Imitation after Knockdown of FoxP2 in Songbird Basal Ganglia Nucleus Area X. PLoS Biol. 5, e321;
10. Malavika Murugan, Stephen Harward, Constance Scharff, Richard Mooney. (2013). Diminished FoxP2 Levels Affect Dopaminergic Modulation of Corticostriatal Signaling Important to Song Variability. Neuron. 80, 1464-1476;
11. Элементы: «Птичьи песни и человеческая речь организуются за счет сходных генов»;
12. Wolfgang Enard, Sabine Gehre, Kurt Hammerschmidt, Sabine M. Hölter, Torsten Blass, et. al.. (2009). A Humanized Version of Foxp2 Affects Cortico-Basal Ganglia Circuits in Mice. Cell. 137, 961-971;
13. Дофаминовые болезни;
14. Christiane Schreiweis, Ulrich Bornschein, Eric Burguière, Cemil Kerimoglu, Sven Schreiter, et. al.. (2014). Humanized Foxp2 accelerates learning by enhancing transitions from declarative to procedural performance. Proc Natl Acad Sci USA. 111, 14253-14258.

biomolecula.ru

Ген FOXP2 не играет большой роли в эволюции языка, как считалось ранее

Исследование американских эволюционистов, которое появилось в журнале Cell, дает новое понимание того, как развивался человеческий язык.

Исследование американских эволюционистов, которое появилось в журнале Cell, дает новое понимание того, как развивался человеческий язык.

Считалось, что эволюция человеческого языка зависела от изменений в одном гене – FOXP2. Эти изменения встречаются только в «человеческой» версии гена – ни у шимпанзе, ни у других приматов они не были замечены. Новый анализ, однако, показывает, что этот ген не претерпел изменений в истории Homo sapiens и что предыдущие результаты могли быть просто ложными сигналами.

Первоначально ген FOXP2 был обнаружен у членов семьи с длинной историей серьезных речевых и языковых расстройств. Тогда он стал первым геном, который был вовлечен в «производство» языка. Позже исследование показало его важность в эволюции человеческого языка в целом.

В ключевом исследовании 2002 года было показано, что в людском FOXP2 есть две мутации, которые не встречаются ни у каких других приматов. В этой работе доказывалось, что распространение мутаций в гене среди людей произошло за последние 200 000 лет.

Старше, чем мы думали

Идея исключительной роли гена FOXP2 в развитии языка заинтересовала ученых. Исследование, проведенное в 2007 году, показало, что ген FOXP2 также мутировал и у неандертальцев. То есть изменения в FOXP2 произошли до того, как начал развиваться язык, – примерно более полумиллиона лет назад.

При этом, как ни странно, результаты работы 2002 года никогда с тех пор не проверяли. Хотя они были основаны на небольшой базе информации. Ученые рассмотрели геномы только 20 человек, среди которых были члены нескольких африканских семей: большинство из них были родом из Европы, Азии и других регионов. Теперь команда ученых из Гарварда и Кембриджа пересматривает эволюционную историю гена, используя больший набор данных и более разнообразный состав населения.

Они обнаружили, что сигнал, который указывает на ключевые изменения в гене, обнаруженный в исследовании 2002 года, вероятно, возник из-за статистического недочета. Недочет был вызван тем, что изучали преимущественно африканцев. Сейчас, с большим числом и большим разнообразием геномов, команда была в состоянии искать сигнал в FOXP2 отдельно у африканцев и отдельно – у неафриканцев, но не обнаружила никаких доказательств.

Кусочек головоломки

Даже если и не было никакой эволюции FOXP2, есть еще много доказательств того, что ген играет большую роль в развитии языка, отмечает Саймон Фишер (Simon Fisher), директор Института психолингвистики им. Макса Планка в Неймегене (Нидерланды), соавтор исследования 2002 года. Эксперименты на мышах показали, что ген важен для работы речевого аппарата. Также мутации в FOXP2 вызывают языковые расстройства у людей.

Язык усложняется и никогда не будет объясняться только одной мутацией в гене современных людей, добавляет Фишер. FOXP2 – лишь один кусочек сложной головоломки и изменения касаются, скорее всего, нескольких генов. Бренна Хенн (Brenna Henn), ведущий автор последней статьи, популяционный генетик в Калифорнийском университете Дэвиса, теперь стремится изучить другие гены, которые считаются важными для человеческой эволюции, – например, микроцефалин, который был связан с развитием мозга. Она опасается, что чрезмерная зависимость от небольших наборов данных исказила наше понимание того, что делает людей уникальными.

[Фото: Nature]

scientificrussia.ru

FOXP2 — Википедия. Что такое FOXP2

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Forkhead box protein P2 — белок человека, кодируемый геном FOXP2 на 7-й хромосоме и представляющий собой фактор транскрипции — регулятор активности множества других генов. FOXP2 принадлежит к большому FOX-семейству транскрипционных факторов. Данные исследований позволяют предположить роль FOXP2 в регулировке развития мозга, лёгких, кишечника. Также ген FOXP2 связывают с развитием языковых навыков.^[1] В целях поиска молекулярных механизмов эволюции речи проводятся сравнительные исследования гена FOXP2 с аналогичным геном шимпанзе, чей продукт отличается всего на две аминокислоты.^[2]

Альтернативный сплайсинг порождает несколько форм белка.^[3]

История

Ген FOXP2 был обнаружен группой Сванте Паабо в Институте эволюционной антропологии общества Макса Планка в Лейпциге в результате исследования так называемого расширенного KE-семейства^[en], примерно половина членов которого страдает расстройством речи.^[4]

У созданных в 2009 году химерных мышей, в чей белок FOXP2 были внесены две «человеческие» аминокислотные замены, авторами исследования было отмечено «качественное изменение вокальных сигналов, подаваемых детёнышами». У взрослых грызунов было отмечено снижение исследовательского поведения и сниженные уровни дофамина в мозге, что позволяет предположить воздействие «гуманизированного» FOXP2 на базальные ганглии.^[5]

Медицинское значение

Мутации гена FOXP2 связаны с некоторыми случаями редкого «специфического расстройства речи 1 типа» (OMIM 602081).

В число генов, экспрессию которых регулирует транскрипционный фактор FOXP2, входит CNTNAP2, ассоциированный с некоторыми случаями расстройств аутистического спектра.^[6]

См. также

Примечания

1. ↑ Enard W, Przeworski M, Fisher S, Lai C, Wiebe V, Kitano T, Monaco A, Pääbo S (2002). «Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language». Nature 418 (6900): 869–72. DOI:10.1038/nature01025. PMID 12192408.
2. ↑ Konopka G, Bomar JM, Winden K, Coppola G, Jonsson ZO, Gao F, Peng S, Preuss TM, Wohlschlegel JA, Geschwind DH (November 2009). «Human-specific transcriptional regulation of CNS development genes by FOXP2». Nature 462 (7270): 213–7. DOI:10.1038/nature08549. PMID 19907493.
3. ↑ Bruce HA, Margolis RL (August 2002). «FOXP2: novel exons, splice variants, and CAG repeat length stability». Hum. Genet. 111 (2): 136–44. DOI:10.1007/s00439-002-0768-5. PMID 12189486.
4. ↑ Lai CS, Fisher SE, Hurst JA, Vargha-Khadem F, Monaco AP (October 2001). «A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder». Nature 413 (6855): 519–23. DOI:10.1038/35097076. PMID 11586359.
5. ↑ Enard W, Gehre S, Hammerschmidt K, Hölter SM, Blass T, Somel M, Brückner MK, Schreiweis C, Winter C, Sohr R, Becker L, Wiebe V, Nickel B, Giger T, Müller U, Groszer M, Adler T, Aguilar A, Bolle I, Calzada-Wack J, Dalke C, Ehrhardt N, Favor J, Fuchs H, Gailus-Durner V, Hans W, Hölzlwimmer G, Javaheri A, Kalaydjiev S, Kallnik M, Kling E, Kunder S, Mossbrugger I, Naton B, Racz I, Rathkolb B, Rozman J, Schrewe A, Busch DH, Graw J, Ivandic B, Klingenspor M, Klopstock T, Ollert M, Quintanilla-Martinez L, Schulz H, Wolf E, Wurst W, Zimmer A, Fisher SE, Morgenstern R, Arendt T, de Angelis MH, Fischer J, Schwarz J, Pääbo S (May 2009). «A humanized version of Foxp2 affects cortico-basal ganglia circuits in mice». Cell 137 (5): 961–71. DOI:10.1016/j.cell.2009.03.041. PMID 19490899.
6. ↑ Vernes SC, Newbury DF, Abrahams BS, Winchester L, Nicod J, Groszer M, Alarcón M, Oliver PL, Davies KE, Geschwind DH, Monaco AP, Fisher SE (November 2008). «A functional genetic link between distinct developmental language disorders». N. Engl. J. Med. 359 (22): 2337–45. DOI:10.1056/NEJMoa0802828. PMID 18987363.

Ссылки

wiki.sc

FOXP2-Ген и речь

FOXP2-Ген и речь

Сравнение целых геномов разных видов помогло разобраться в том, почему люди и шимпанзе столь отличаются друг от друга, несмотря на большое сходство их геномов. За последние годы были секвенированы геномы тысяч видов (в основном микроорганизмов). Оказалось, что наибольшее значение имеет то, в какой именно части генома происходят изменения, а не общее их количество. Другими словами, для создания нового вида не нужно сильно изменять геном. Для того чтобы наш общий с шимпанзе предок превратился в человека, не было необходимости ускорять ход молекулярных часов в целом. Секрет состоял в том, чтобы быстро внести изменения в те места, где они окажут значительное влияние на функционирование всего организма. Таким примером, наряду с последовательностью HAR1 , является быстроизменяющаяся последовательность, содержащееся в гене FOXP2.

Известно, что она связана с речью: в 2001 г. было показано, что люди, несущие мутации в этом гене, не способны производить некоторые быстрые движения мышц лица, необходимые для артикуляции слов, несмотря на то что они обладают нормальными когнитивными речевыми способностями. В норме данная последовательность имеет несколько отличий от аналогичной у шимпанзе: две замены нуклеотидов, изменивших ее белковый продукт, и множество других замен, которые, видимо, повлияли на то, как, когда и где этот белок используется в теле человека.

Недавнее открытие пролило некоторый свет на вопрос о том, когда у гоминидов появилась пригодная для речи версия FOXP2. В 2007 г. ученые из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге секвенировали FOXP2, извлеченный из останков неандертальцев , и обнаружили, что эти вымершие люди обладали современной человеческой версией этого гена. Вполне вероятно, что они могли разговаривать так же, как и мы. Новейшие оценки времени обособления эволюционных линий неандертальцев и современного человека указывают на то, что новая форма FOXP2 появилась не позднее полумиллиона лет назад. Однако большинство признаков, отличающих человеческую речь от звуковой коммуникации у других животных, обусловлены не физическими данными, а когнитивными способностями, которые часто коррелируют с размером мозга.

Ссылки:

medbiol.ru

Как ген речи помогает учиться

Речевой ген помогает перейти от одного этапа обучения, на котором происходит понимание и осмысление задачи, к другому, когда нужный навык выучивается до автоматического состояния

Речевой ген помогает перейти от одного этапа обучения, на котором происходит понимание и осмысление задачи, к другому, когда нужный навык выучивается до автоматического состояния.

Речевые способности обеспечиваются работой специального нейронного аппарата, а структура нейронных сетей зависит от генов, поэтому совершенно правильно было бы предположить, что у нас есть особые «гены речи». Однако до 2001 года учёные почти ничего не знали о том, какие гены влияют на речь. Ситуация изменилась после исследования одной семьи, члены которой страдали от дефектов речи, причём проблемы у них были не только с произношением, но и с синтаксисом, и с пониманием чужой речи. Оказалось, что в этой семье мутирован ген FOXP2, который мгновенно стал «звездой» в научном мире.

Вскоре выяснилось, что он отвечает не только за внятность речи: по-видимому, человек вообще научился говорить с помощью FOXP2. Его, разумеется, обнаружили и у шимпанзе, но у них он отличался от человеческого по двум нуклеотидным «буквам» в ДНК; вероятно, мутации помогли превратить животные звуки в сложноструктурированную речь. В 2009 году был поставлен любопытный эксперимент: человеческий FOXP2 вводили в геном мышей, после чего последние, конечно, не начинали говорить человеческим голосом, но звуки, которые они издавали, заметно усложнялись. Дальнейшие исследования показали, что у мышей с человеческим геном речи менялась активность нейронов стриатума (или полосатого тела), который, среди прочего, вовлечён в процессы обучения. Более того, с этим геном увязали даже пресловутую женскую болтливость – после того, как оказалось, что уровень белка FOXP2 у девочек почти на треть выше, чем у мальчиков. Однако детали того, как этот ген помогает нам освоить речь, оставались во многом неясными.

У нас и у животных обучение происходит в два этапа. На первом задача разбивается на несколько шагов, которые мы постепенно учимся выполнять. В случае, например, с ездой на велосипеде мы берём в руки руль (и стараемся держать его ровно), затем ставим ноги на педали, а потом начинаем их вращать. Поначалу эта последовательность действий требует от нас полной концентрации, но со временем начинается «бессознательная» часть обучения, когда мы учимся ездить всё лучше и лучше, просто повторяя все вышеописанные действия. То же самое происходит и с выучиванием языка: сначала мы концентрируемся на произношении и смысле отдельных слов, потом же речь приобретает всё большую беглость, и, в конце концов, мы можем произнести «добрый день» на автомате, не задумываясь, как и что мы говорим.

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) решили выяснить, какому из этапов обучения нужен речевой ген FOXP2. В эксперименте обычные мыши и мыши с человеческим геном должны были найти пройти лабиринт, чтобы получить угощение. «Очеловеченные» животные быстрее понимали, каким маршрутом было бы быстрее добраться до еды, однако, когда лабиринт организовывали так, чтобы этапы обучения можно было разделить и понаблюдать отдельно друг от друга, никакой разницы между мышами не было.

Тогда возникла гипотеза, что речевой ген помогает переключаться между разными фазами обучения. Дальнейшие опыты, описанные в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, это предположение подтвердили: мыши, освоившие пошаговый этап задания, быстрее переключались на фазу обучения повторением, если в их геном вводили человеческий FOXP2. Эффект удалось увидеть и на клеточном уровне: в полосатом теле за разные этапы обучения отвечают разные зоны, и та, что отвечала за обучение путём повторения, у мышей с человеческим геном активировалась эффективнее.

То есть можно сказать, что человеческий вариант гена FOXP2 (возникший, как считается, около 200 тыс. лет назад) открыл нашим предкам обучение путём повторения – человек не просто мог произнести слово и понять его значение, но воспроизведение этого слова стало автоматическим. Расширившиеся возможности общения в коллективе помогали выживать отдельным индивидуумам, так что новая версия гена получила эволюционное преимущество. Впрочем, вряд ли развитие речи у человека произошло «по воле» лишь одного гена. Очевидно, тут задействована целая генетическая сеть, в которой FOXP2 – лишь одно из звеньев. Так, год назад исследователи из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса (США) опубликовали статью, в которой описывали зависимый от FOXP2 ген SRPX2, контролирующий динамику межнейронных соединений в речевом центре мозга. Стоит также заметить, что в описанных опытах с геном FOXP2 оценивалась способность мышей к обучению вообще, так что, вероятно, этот ген и у человека может иметь отношение не только к речевым способностям.

Кирилл Стасевич

econet.ru

Ген языка. Паразит, оккупировавший мозг

В 1990 году в Лондоне была исследована семья с необычной наследственной патологией. Члены семьи не испытывали проблем в интеллектуальной сфере, но у всех были какие-либо нарушения речевой функции. Генетические исследования привели к открытию единственного поврежденного гена, ответственного за патологию, называемого FOXP2[3]. Его тут же окрестили «геном языка».

Теперь, однако, известно, что FOXP2 является одним из генов-регуляторов, вовлеченным во многие процессы, не имеющие ничего общего с языком. Но самое худшее для «гена языка» в том, что его варианты были открыты практически у всех организмов, вплоть до дрожжевых грибков. Белок, за выработку которого он отвечает, отличается у людей и дрожжей очень незначительно.

Для некоторых исследователей это стало доказательством того, что язык вообще не имеет генетического субстрата. Однако на эту проблему можно смотреть и по-другому. Речь можно рассматривать как сложный комплексный процесс, в котором гену FOXP2 отведена специфическая роль регулирования последовательных движений лицевых мышц. Небольшая мутация гена может приводить к неточности работы мускулатуры и, как следствие, к невнятной речи.

FOXP2 принял свою нынешнюю форму около 200-120 тысяч лет назад. Это была очень интересная эра. Как показывают ископаемые остатки, именно в это период произошла последняя миграция наших предков из Африки.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

bio.wikireading.ru