Ген отвечающий за речь. Генетика речи. Головастый Микки Маус

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

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.

Ген языка

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. 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.

Из книги Язык животных: подходы, результаты, перспективы… автора Резникова Жанна Ильинична

Теоpетико-информационный подход к исследованию «языка» животных Суть этого подхода в том, что в экспериментах испытуемым животным предлагается передать заранее известное экспериментатору количество информации, и при этом измеряется время, затраченное на ее передачу,

Из книги Обезьяны, человек и язык автора Линден Юджин

Часть 1 ШИМПАНЗЕ В ХРАМЕ ЯЗЫКА 1. ПРОБЛЕМА: ШИМПАНЗЕ, КОТОРЫЙ УМЕЕТ РУГАТЬСЯ Иосиф Флавий, историк времен древнего Рима, в своих «Иудейских древностях» писал, что, когда человек был изгнан из рая, он в числе прочего утратил способность разговаривать с животными.

Из книги Основы зоопсихологии автора Фабри Курт Эрнестович

Проблема развития языка у детей Общеизвестно, что ребенок не рождается умеющим говорить. Кроме того, было обнаружено, что если младенец в детстве не общается со взрослыми или с другими, уже умеющими говорить детьми, то он так и не сможет овладеть речью, даже если

Из книги Язык как инстинкт автора Пинкер Стивен

Описание языка и его развития у детей с позиций Роджера Брауна Мы прибегаем к помощи языка, когда хотим рассказать, как наши давние предки стали людьми. Именно благодаря языку, как полагает Браун, каждое поколение может накапливать знания и передавать их следующим

Из книги Мозг, разум и поведение автора Блум Флойд Э

9. ОДНО ИЗ ОПИСАНИЙ ЯЗЫКА Чарлз Хоккет опубликовал свои соображения относительно ключевых свойств языка в книге «Курс современной лингвистики»; с тех пор он несколько пересмотрел составленный им список свойств. Однако Футс выбрал для анализа исходный перечень,

Из книги Мозг рассказывает [Что делает нас людьми] автора Рамачандран Вилейанур С.

Послесловие ШИМПАНЗЕ НА ДОРОГЕ К ХРАМУ ЯЗЫКА д-р филол. наук Б.В. ЯкушинГлавная мысль книги Юджина Линдена – между миром животных и человечеством нет непроходимой пропасти, животные имеют столько же прав на благополучное существование на Земле, сколько и человек. Для

Из книги Хозяева Земли автора Уилсон Эдвард

Формирование человеческого языка Человеческий язык, как это имело место и в отношении материальной культуры, прошел долгий путь развития, и звуки, сопровождающие первые трудовые действия, еще не могли быть подлинными словами, обозначающими отдельные объекты, их

Из книги Глаз и Солнце автора Вавилов Сергей Иванович

Глава 4 МЕХАНИЗМЫ РАБОТЫ ЯЗЫКА Грамматика за работой Журналисты говорят, что это не новость, когда собака кусает человека; вот когда человек кусает собаку - это что-то новенькое. И именно в этом заключена суть языкового инстинкта: язык сообщает о чем-то новом. Цепочки

Из книги автора

Глава 11 БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ Эволюция языка Слоновий хобот имеет шесть футов в длину и один фут в толщину и содержит шестьдесят тысяч мускулов. С помощью хобота слоны могут с корнем выдирать деревья, складывать бревна в штабеля или аккуратно помещать их в требуемую позицию при

Из книги автора

Роль языка в происхождении сознания Согласно Джулиану Джейнсу (Janes, 1976), единство личности, о котором писал Газзанига, возникло в истории человеческого рода на удивление недавно. Джейнс полагает, что сознание появилось у человека всего лишь около трех тысяч лет назад,

Из книги автора

Джордж Беркли Теория зрения, или зрительного языка, показывающая непосредственное присутствие и провидение божества; защищенная и объясненная. В ответ анонимному автору <…> 6. То, что атеистические принципы пустили глубокие корни и распространяются дальше, чем

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 с FOXP2. 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.