«Ген речи» FOXP2 оказался регулятором высокого уровня. Ген речи и человек Ген отвечающий за речь

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

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 . 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 . 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.

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 . 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 .

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 . 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

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 . 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 .

В другом исследовании на зебровых амадинах уточнили роль FoxP2 в формировании певческих способностей . 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 . 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 . Более подробно сходство генетических механизмов формирования птичьих песен и речи человека описано в статье Елены Наймарк на «Элементах» .

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 . 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 - 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 . 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.

Литература

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;
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;
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;
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;
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;
F Nottebohm. (1981). A brain for all seasons: cyclical anatomical changes in song control nuclei of the canary brain . Science . 214 , 1368-1370;
I. Teramitsu, S. A. White. (2006). FoxP2 Regulation during Undirected Singing in Adult Songbirds . Journal of Neuroscience . 26 , 7390-7394;
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;
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;
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;
Элементы: «Птичьи песни и человеческая речь организуются за счет сходных генов »;
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;
Дофаминовые болезни ;
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.

Несмотря на разнообразные трюки, которые умеют проделывать лабораторные мыши, ученые всё пытаются расширить арсенал фокусов своих подопечных. Сверхвыносливые, сверхсильные, сверхбыстрые, сверхустойчивые или, наоборот, сверхвосприимчивые к самым опасным заболеваниям - на этом список генетически приобретенных по воле учёных способностей не ограничивается.

Вольфганг Энард из лейпцигского Института эволюционной антропологии имени Макса Планка и его коллеги поставили перед собой практически неразрешимую задачу - научить мышей говорить.

Ну или хотя бы пересадить мышам человеческую версию гена речи Foxp2.

У мышей, да и других зверей, в том числе и приматов, этот ген, а точнее, последовательность ДНК, кодирующая транскрипционный фактор Foxp2, тоже есть, но отличается от человеческой двумя точечными мутациями. Считается, что именно эти мутации дали человеку уникальную способность как говорить, так и различать речь. В оценках возраста этой мутации ученые расходятся - от 100 до 500 тысяч лет. Вопрос возраста и эволюции Foxp2 стал даже чуть ли не главной темой в обсуждении расшифрованного недавно генома неандертальцев.

Однако эффекты этого транскрипционного фактора пока остаются непонятными. Очевидно, что такой сложный процесс, как речь, не может обеспечиваться всего лишь одним геном, необходимо соответствующее строение дыхательных путей и голосовых связок. Кроме того, головной мозг и орган слуха должны быть способны эту самую речь воспринимать и различать. Foxp2 как нельзя лучше подходит на роль «регулятора» - ведь это транскрипционный фактор, регулирующий работу самых разнообразных генов (каких - до конца неизвестно). То есть одной мутации в гене Foxp2 достаточно, чтобы изменить строение, свойства и функции одновременно в нескольких тканях - будь то нервная или дыхательная система.

Foxp2 стал «геном речи» относительно недавно: в конце прошлого века выяснилось, что именно его мутации - причина врожденных дефектов восприятия речи.

А вот механизм действия, равно как и все функции этого фактора, до сегодняшнего дня оставались неизвестными. Забегая вперед, скажем, что и после работы Энарда осталось много вопросов, хотя ученым и удалось описать эффекты человеческой версии Foxp2 на мышах. Авторы публикации в Cell, перечисление которых вместе с институтами заняло всю первую страницу статьи, попытались ответить сразу на два вопроса: какова роль Foxp2 в целом и в чем отличие эффектов человеческого Foxp2 от мышиного.

Для этого им пришлось сначала вывести мышей гетерозиготных по этому гену - Foxp2wt/ko (wild type/knockout), то есть один вариант этого гена был «диким» - мышиным, а второй - выключен совсем. В дополнение к этой группе ученые получили и мышей Foxp2hum/hum (human), у которых в обеих позициях стоял человеческий вариант гена. После чего Энард и коллеги, среди которых был и «главный специалист» по геному неандертальца Сванте Пеэбо, оценили мышей почти по трём сотням физиологических критериев.

«Очеловеченные» мыши так и не научились говорить и даже отличались меньшей секрецией дофамина и угасшим исследовательским энтузиазмом, зато издавали количественно отличающиеся ультразвуки.

Отсутствие же одной копии гена приводило к абсолютно противоположному эффекту, что лишний раз доказывает роль человеческой версии Foxp2 во всех наблюдаемых феноменах. Причина этих отличий - в базальных ядрах конечного мозга. Именно здесь происходит перенаправление сигналов от коры больших полушарий к мышцам, и здесь же «замыкаются» многие рефлексы. Снижение активности в поиске и изучении новых объектов объясняется низким уровнем дофамина - медиатора удовольствия, стимулирующего к подобному поведению.

Что же касается главной темы для обсуждения - влияния на речь, то здесь большая часть отличий оказалась незначимой, хотя авторы и смогли найти небольшую разницу:

«гуманизированные» мыши оказались склонны издавать больше отдельных звуков и использовали для этого меньшие пиковые частоты по сравнению с нокаутными по одному из генов.

Впрочем, это демонстрирует лишь роль конкретной человеческой версии, а не Foxp2 в целом.

Судя по всему, Foxp2 оказывает наибольшее воздействие на распознавание речи и звуков, а так же на центральную регуляцию речи. Самое интересное так и не научившиеся говорить при жизни мыши рассказали учёным уже после препарирования:

У «очеловеченных» мышей средняя длина коротких отростков нервных клеток - дендритов - оказалась на 22% больше.

Это способствует образованию большего количества контактов между клетками, а следовательно, и более эффективной работе нервной системы и, в частности, слухового анализатора.

Тем самым Энард в очередной раз подтвердил тот факт, что эволюция в рамках такой совершенной группы, как звери, шла в основном благодаря транскрипционным факторам, а не генам в привычном понимании этого слова. Осталось ещё поискать Foxp2 у попугаев, и вопрос о его роли будет окончательно разрешен.

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

Если речь – эволюционное приобретение человека, оно должно иметь и генетическую основу. Расхожий факт, что от ближайшего родственника среди человекообразных обезьян нас отличает лишь 1% генетического материала. Кажется, что это совсем немного, но перебрать весь геном в поисках интересующих отличий не так просто. Ошеломляющих открытий этот подход пока не приносит: большинство обнаруженных различий оказываются функционально нейтральными. Поэтому генетика «самых человеческих» особенностей, к которым относится и речь, большей частью остается неизвестной. Однако нам доступен другой подход: определение генетических основ патологии у пациентов с нарушением интересующей нас функции. Все, что известно на сегодняшний день о генетике речи, было выявлено именно таким способом.

Семья КЕ

В 1990е годы в поле зрения ученых попала одна британская семья, которую в литературе называют КЕ. В этом семействе в трех поколениях встречалось достаточно тяжелое расстройство речи, и оно наследовалось как аутосомно-доминантный признак. Эта находка вызвала огромный ажиотаж: некоторые ученые поспешили сделать вывод, что мы близки к открытию «гена речи» или даже «гена грамматики». Задолго до того, как биология могла бы это подтвердить или опровергнуть, Ноам Хомский настаивал, что существует некий врожденный механизм усвоения языка (language acquisition device), уже «заточенный» под универсальную грамматику, заранее «знающий» общие принципы языка и лишь ждущий конкретной языковой среды . Но если механизм является врожденным, он будет иметь генетические основания – и все взгляды надеющихся эти основания найти обратились к семье КЕ.

В первую очередь проводили нейропсихологическое обследование. Выяснилось, что у всех членов семьи, в том числе и не страдавших речевым расстройством, коэффициент интеллекта был ниже среднего. То есть, во-первых, описываемое расстройство речи не вполне специфично, и некоторые проявления могут быть обусловлены умственной отсталостью. Во-вторых, специальные речевые тесты также не подтвердили гипотезу, что поражена способность пользоваться грамматическими правилами. Скорее у пациентов были трудности с координацией движений, управлением мышцами орофациальной зоны. При этом расстройство имело характер апраксии, то есть нарушения разработки моторных программ, но именно в отношении речи; с тех пор оно носит соответствующее название: детская апраксия речи. Но интересно, что дефекты обнаруживались не только в устной речи, но и в письменной, а также вовлекали восприятие речи (известно, что отсылка к нашим собственным, внутренним моторным программам необходима для восприятия чужой речи) . Нейровизуализационные исследования показали, что имело место нарушение развития мозга, которое привело к морфологически регистрируемым изменениям размеров определенных структур, в том числе подкорковых ядер и мозжечка .

Тем не менее, связь с функцией речи была очевидна, и это была единственная «генетическая зацепка», оказавшаяся в руках ученых. В конце девяностых годов начались поиски генетических структур, которые обусловливали бы нарушения речи в семье КЕ. Сначала обнаружили, что отличается по своему строению хромосома 7, затем – ее конкретный участок, где предположительно локализовался ген. Его назвали SPCH1 – и, наконец, с помощью данных уже из другого клинического случая, обнаружили сам ген – FOXP2 .

FOXP2 в эволюции

Продукт FOXP2 – транскрипционный фактор, то есть регулирует экспрессию других генов. Он непосредственно связывается с участком ДНК, содержащим эти гены, что влияет на вероятность их транскрипции. Особенностью этого белка является структурный мотив – домен в форме вилки (forkhead-box, или, сокращенно, FOX домен), который и связывается с ДНК.

По всей видимости, ген вовлечен в функции и более важные, чем речь. На это указывает отсутствие в человеческой популяции индивидов, у которых были бы повреждены обе копии FOXP2 . Кроме того, в эволюционных исследованиях было обнаружено, что этот ген высококонсервативен у млекопитающих: у шимпанзе, гориллы и макаки резус он лишь одной аминокислотной заменой отличается от своего ортолога у мыши. От человеческого ортолога соответствующий ген обезьян отличается двумя аминокислотными заменами. Однако более значительные отличия выявляются в характере экспрессии: например, у людей повторяющаяся последовательность молекул глютамина варьирует по длине, а у шимпанзе этой особенности не отмечается. Кроме того, отмечено, что у человека по сравнению с вероятностными расчетами выше количество активных замен, чем молчащих (молчащие мутации не приводят к изменению аминокислотной последовательности). Это указывает на существовавший отбор в пользу человеческого варианта гена FOXP2, то есть, он мог быть, по крайней мере, одним из генов, детерминировавших возникновение языковых способностей в эволюции.

Анализ изменчивости интрона FOXP2 в разных человеческих популяциях позволил приблизительно оценить время появления мутации, которая привела ген к современному виду. Это произошло около 220 тыс. лет назад, то есть в период становления человека современного анатомического типа (ЧСАТ), Homo Sapiens. Однако впоследствии выяснилось, что так же выглядел FOXP2 и у неандертальцев, то есть ген должен был появиться во времена существования общего предка неандертальца и ЧСАТ, около 300-400 тысяч лет назад. Однако дополнительной проверки требуют и сами методы датировки.

FOXP2 у мышей

Следующим шагом исследователей было изучить функции FOXP2, а так как у мышей он отличается лишь несколькими аминокислотными заменами, они представляются удобной моделью. Среди эффектов нокаута Foxp2 (в мышином варианте его написание несколько отличается) есть связанные с вокализацией: такие животные реже спонтанно подают голос – но они спорны, и идут далеко не на первом месте. В эмбриогенезе у нокаутных по Foxp2 мышей нарушены рост и ветвление нейронов, искажено направление роста аксонов. Мышата с «выключенным» геном живут 3-4 недели, медленно набирают массу и не

достигают нормальных размеров, имеют множественные двигательные расстройства, что объясняется замедленным созреванием мозжечка. У людей не наблюдается неврологической симптоматики, связанной с дефектами FOXP2, кроме упомянутого когнитивного дефицита.

Возможно, летальность отсутствия нормальных копий гена FOXP2 (и его гомолога у мышей) связана с его эффектами в других тканях, например, сердечной и легочной. В основном же ген экспрессируется в глубоких слоях коры, клетках Пуркинье мозжечка и в шипиковых нейронах среднего размера в стриатуме.

Другой эксперимент заключался в создании у мышей той же мутации в FOXP2, которая приводила к заболеванию в семействе КЕ (причем также в гетерозиготном состоянии). Последствия такой замены подробнее изучены на тканевом уровне. Измененной оказывается синаптическая пластичность в кортико-стриарных и –церебеллярных связях; в глутаматергических синапсах шипиковых нейронов стриатума реже, чем в норме, наблюдалась долговременная депрессия. Соответственно, уровень базальной активности этих нейронов в электрофизиологических исследованиях был повышен, что согласуется с результатами нейровизуализации у самих КЕ: она тоже продемонстрировала дисфункцию стриатума.

Интересны исследования FoxP2 у птиц: хотя их версия гена в большей степени отличается от человеческой, продемонстрирована его четкая связь с вокализацией. Ген активно экспрессируется в полосатом теле, которое входит в нейронную сеть, обусловливающую вокализацию у певчих птиц. На зебровой амадине удалось показать, что если искусственно уменьшить экспрессию гена молекулярно-генетическими методами, птенец выучивает свою видовую песню не полностью и в искаженном виде.

Мишени FOXP2

Если FOXP2 – транскрипционный фактор, то гены, влияющие на становление речи непосредственно, должны оказаться среди его мишеней. Несколько таких генов действительно известны:

– CNTNAP2 (Contactin-associated protein-like 2) кодирует трасмембранный белок CASPR2, который относится к суперсемейству нейрексинов и опосредует межклеточные взаимодействия. Продемонстрирована связь разных мутаций в этом гене с аутизмом, щизофренией, эпилепсией, синдромом Туретта. Все носители этих мутаций имеют общие фенотипические черты: умственная отсталость, судороги, аутистическое поведение и нарушения речи – и каждая из этих черт может варьировать по тяжести от незначительной до инвалидизирующей. Интересующие нас нарушения речи проявляются задержкой речевого развития, полным отсутствием речи и дизартриями. Наиболее изучена ассоциация одного из SNP (single nucleotide polymorphism, однонуклеотидный полиморфизм) со специфическим расстройством речи (specific language impairment, SLI) – заболеванием, при котором речь нарушена при отсутствии дефектов слуха и аутистических черт. Высокий уровень экспрессии CNTNAP2 отмечается в II-IV слоях коры зоны Брока и областей, окружающих сильвиеву борозду .

– гены SRPX2 и uPAR функционируют в комплексе, и FOXP2 регулирует экспрессию обоих . Ген SRPX2 ассоциирован с ролландической эпилепсией и апраксией речи; морфологически у таких пациентов нередко обнаруживается микрогирия в области сильвиевой борозды. На мышах показано, что именно экспрессия SRPX2 влияет на формирование возбуждающих синапсов и шипиков , то есть нарушением в этом звене может быть обусловлен соответствующий эффект нокаута FOXP2 у мышей. Ген uPAR кодирует рецептор активатора плазминогена, который вовлечен в реализацию эффекта SRPX2 .

– среди генов, экспрессию которых контролирует FOXP2, есть гены-кандидаты аутизма, например, МЕТ или MEF2C. Функция MEF2C (myocyte enhancer factor 2C) предположительно заключается в негативной регуляции (то есть подавлении) формирования дендритных шипиков и возбуждающих синапсов в гиппокампальных нейронах; то же самое происходило в эксперименте в культуре клеток стриатума. Поскольку FOXP2 снижает экспрессию MEF2C, его дисфункция приводит к противоположному эффекту, что согласуется с выше приведенными данными: у нокаутных по FOXP2 мышей мы видим гиперактивность стриарных нейронов. В онтогенезе это приводит к формированию кортикостриарных связей в ином объеме, чем это происходит в норме . Ген MET кодирует рецептор тирозинкиназы, который участвует во многих процессах во время эмбриогенеза. Относительно нейрогенеза известно, что этот ген активно экспрессируется в конусах роста нейронов на ранних стадиях развития, а его активация вовлекает в процесс малую ГТФазу Cdc42 и стимулирует рост нейрона, ветвление дендритов и формирование шипиков. Инактивация МЕТ в эксперименте привела формированию измененных нейронов, которые по строению соответствовали ранним стадиям созревания. Если же активацию МЕТ в эмбриогенезе пролонгировали, это подавляло формирование и созревание глутаматергических синапсов. Попытки манипулировать уровнем экспрессии МЕТ в нейронах префронтальной области привели к нарушению формирования нейронных сетей, в которые эти нейроны обычно оказываются вовлечены .

– ген DISC-1 (Disrupted in Schizophrenia) изначально исследовался как возможная причина шизофрении, однако на данный момент исследуется и при многих других психических расстройствах, в том числе аффективных, умственной отсталости, аутизме. Его функции мало изучены, однако предполагается, что он также необходим для синаптогенеза.

Другие болезни, другие гены

Кроме FOXP2 и его команды обнаруживаются и другие гены, повреждение которых сказывается на разных аспектах владения речью. Ясно, что лишь один ген, даже если это транскрипционный фактор, не мог целиком обусловить развитие языка и сообщить эволюции человека такой крутой поворот. По всей видимости, это происходило медленно и требовало многих модификаций.

Среди детских психических расстройств имеется особый раздел, посвященный именно расстройствам речи. Поскольку именно генетически обусловленная патология часто манифестирует в детском возрасте, генетические основы специфических детских расстройств речи исследованы достаточно хорошо.

1. Дислексия развития (неспособность к чтению) – трудности с произношением и чтением, которые не могут быть объяснены другими очевидными причинами, например, низким IQ или физическими недостатками, а также неспособность к обучению. Затрагивает 5-10% детей школьного возраста, причем во взрослом возрасте трудности сохраняются. Часто имеются трудности и с пониманием речи, которые выявляются более тонкими тестами.

В полногеномных исследованиях выделили 9 участков DYX1-9, который могут быть связаны с развитием этого заболевания. В трех из них локализованы конкретные гены:

– На участке DYX1 – ген DYX1C1. К функциям этого гена относятся миграция нейронов, организация цитоскелета. В постмортальных исследованиях мозга людей с мутациями DYX1C1 в левом полушарии обнаруживались негрубые мальформации, связанные с дистопией нейронов и глии.

– На участке DYX2 – гены KIAA0319 и DCDC2. Ген KIAA0319 кодирует мембранный белок с крупным внеклеточным доменом, который необходим для нейрональной адгезии. DCDC2 кодирует один из доменов даблкортина (белок, экспрессируемый незрелыми нейронами, маркер нейрогенеза) и необходим для опосредованной цитоскелетом внутриклеточной динамики.

– На участке DYX5 – ген ROBO1, который кодирует направляющий рецептор для аксонов, пересекающих среднюю линию. Его мутации, соответственно, приводят к формированию дисфункциональных межполушарных связей.

2. Специфическое расстройство речи – не обусловленная иными причинами неспособность к овладению разговорной речью, которая затрагивает один из важных ее аспектов: морфологию, синтаксис, прагматику или семантику. Могут нарушаться и воспроизведение речи, и восприятие, и письменная речь. Заболеванием страдают до 7% детей в возрасте 5-6 лет. С возрастом дефицит корректируется, но и во взрослом возрасте остаются отклонения в сложных тестах. Мы уже упоминали один из генов-кандидатов для этого расстройства, CNTNAP2. Еще два были локализованы на 16 хромосоме: CMIP и ATP2C2. CMIP кодирует белок, который входит в цитоскелет, и, кроме как при СРР, его мутации встречаются у пациентов с аутизмом. ATP2C2 кодирует кальциевую АТФазу и участвует в регуляции клеточных уровней магния и кальция.

3. Детская апраксия речи – расстройство, о котором рассказывалось в начале материала, именно оно помогло обнаружить ген FOXP2. Однако в дальнейшем оказалось, что лишь небольшой процент пациентов, которые удовлетворяют критериям этого расстройства, имеют повреждения именно в гене FOXP2, то есть большинство случаев детской апраксии речи должно быть обусловлено иными причинами.

4. Расстройство звукопроизношения – трудности с воспроизведением и правильным использованием звуков речи, которые чаще всего проявляются пропусками и заменами звуков, значимых для понимания смысла. Этот феномен очень часто наблюдается у маленьких детей, которые только учатся говорить. Патологическим он считается, если сохраняется к шестилетнему возрасту – это происходит примерно в 4% случаев. Это расстройство достаточно трудно разграничить с детской апраксией и специфическим

расстройством речи. Может иметь общие генетические основы с дислексией, так как наиболее значимая связь обнаруживается с изменениями участка DYX5.

5. Заикание – непроизвольное повторение и удлинение слогов, паузы, нарушающие плавность речи. Обычно разрешается с возрастом, но около 20% пациентов продолжают страдать заиканием и во взрослом возрасте. Семантические и грамматические характеристики речи, как правило, не нарушаются. Обнаружена связь с тремя генами, которые участвуют в распознавании объектов для ферментов лизосом: GNPTAB, GNPTG и NAGPA. Все три гена кодируют субъединицы фермента N-ацентил-глюкозамин-1-фосфотрансферазы, который необходим для «маркирования» содержащих маннозу олигосахаридов и последующего распознавания лизосомами. Эти гены могут быть связаны и с более серьезным заболеванием, чем заикание – муколипидозом 2 и 3 типов.

Также известен комплекс генов MCPH и ASPM, дефекты в которых приводят к микроцефалии. У таких больных языковое развитие не превышает уровня шестилетнего ребенка. Однако базовые способности к владению языком у них имеются, что вновь приводит нас к большей важности внутренней структуры мозга, а не его размера. MCPH кодирует белок микроцефалин, который участвует в организации клеточного цикла и репарации ДНК перед делением. Продукт ASPM необходим для построения веретен деления и обеспечивает симметричность образующихся клеток. Интересно, что дефектные варианты этих генов редко встречаются в Африке, где распространены тональные языки, и часто (до 30%) в Европе, где языков такого типа нет.

Вольфганг Энард из лейпцигского Института эволюционной антропологии имени Макса Планка и его коллеги поставили перед собой практически неразрешимую задачу — научить мышей говорить.

Ну или хотя бы пересадить мышам человеческую версию гена речи Foxp2.

У мышей, да и других зверей, в том числе и приматов, этот ген, а точнее, последовательность ДНК, кодирующая транскрипционный фактор Foxp2, тоже есть, но отличается от человеческой двумя точечными мутациями. Считается, что именно эти мутации дали человеку уникальную способность как говорить, так и различать речь. В оценках возраста этой мутации ученые расходятся - от 100 до 500 тысяч лет. Вопрос возраста и эволюции Foxp2 стал даже чуть ли не главной темой в обсуждении расшифрованного недавно генома неандертальцев .

Однако эффекты этого транскрипционного фактора пока остаются непонятными. Очевидно, что такой сложный процесс, как речь, не может обеспечиваться всего лишь одним геном, необходимо соответствующее строение дыхательных путей и голосовых связок. Кроме того, головной мозг и орган слуха должны быть способны эту самую речь воспринимать и различать. Foxp2 как нельзя лучше подходит на роль «регулятора» — ведь это транскрипционный фактор, регулирующий работу самых разнообразных генов (каких - до конца неизвестно). То есть одной мутации в гене Foxp2 достаточно, чтобы изменить строение, свойства и функции одновременно в нескольких тканях - будь то нервная или дыхательная система.

А вот механизм действия, равно как и все функции этого фактора, до сегодняшнего дня оставались неизвестными. Забегая вперед, скажем, что и после работы Энарда осталось много вопросов, хотя ученым и удалось описать эффекты человеческой версии Foxp2 на мышах. Авторы публикации в Cell, перечисление которых вместе с институтами заняло всю первую страницу статьи, попытались ответить сразу на два вопроса: какова роль Foxp2 в целом и в чем отличие эффектов человеческого Foxp2 от мышиного.

Для этого им пришлось сначала вывести мышей гетерозиготных по этому гену — Foxp2 wt/ko (wild type/knockout), то есть один вариант этого гена был «диким» - мышиным, а второй — выключен совсем. В дополнение к этой группе ученые получили и мышей Foxp2 hum/hum (human), у которых в обеих позициях стоял человеческий вариант гена. После чего Энард и коллеги, среди которых был и «главный специалист» по геному неандертальца Сванте Пеэбо, оценили мышей почти по трём сотням физиологических критериев.

Впрочем, это демонстрирует лишь роль конкретной человеческой версии, а не Foxp2 в целом.

у «очеловеченных» мышей средняя длина коротких отростков нервных клеток - дендритов — оказалась на 22% больше.