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.

Как так получилось, что мы, люди, можем говорить, а наши довольно-таки близкие родственники шимпанзе – нет? Американские специалисты провели масштабное исследование, в ходе которого попытались разобраться, что стало истинной причиной столь критического отличия. Так ли важно развитие мозга с годами или же за всё отвечают наши гены?

Вербальное общение людей между собой считается одной из основных отличительных черт человека, отделяющих его от всего остального мира животных. Пусть эта граница условна и те или иные проявления речи (равно как и осознания, восприятия произносимых и слышимых звуков) у животных всё же имеются. Но неоспоримый факт, что до уровня человека они не дотягивают.

В чём заключается уникальность Homo sapiens , решили доподлинно выяснить генетики из университетов Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) и Эмори (Emory University). Они предположили, что "виной" тому наши гены. Впрочем, учёные в этом были, конечно же, далеко не первыми, но данная группа специалистов впервые провела столь обширное исследование генетических основ появления речи у людей.

Довольно давно известно, что центральным геном, ответственным за правильное развитие речи у человека, является FOXP2 . Этот ген кодирует белок с тем же названием, благодаря которому FOXP2 может контролировать работу других генов.

Прежние исследования показали , что когда этот ген инактивирован, у людей развиваются серьёзные проблемы с речью (составлением фраз) и произношением звуков.

Однако FOXP2 присутствует и у некоторых животных (птиц, рептилий и даже рыб). По логике получается, что за появление речи у человека отвечает не он. Одни научные группы стали искать другие "гены речи", другие – продолжили детальное изучение работы FOXP2.

Дальнейшие исследования показали, что FOXP2 почти не изменялся во время эволюции млекопитающих (вплоть до времени разделения человека и шимпанзе). Однако около 200 тысяч лет назад ген начал приобретать свои "человеческие" черты.

Последнее было установлено группой немецких учёных в 2002 году. Биологи тогда обнаружили , что у шимпанзе белки, кодируемые версией этого гена, имеют некоторые отличия от человеческих. Это может означать, что у людей FOXP2 функционирует по-другому. Отсюда и уникальные лингвистические способности.

Ещё один шаг к пониманию происходящих процессов сделали в нынешнем году генетики из института эволюционной антропологии Макса Планка (Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie). Они внедрили человеческую версию гена в ДНК мыши.

Конечно, грызуны от этого не заговорили по-человечески: всё-таки способность к речи - навык комплексный. Но проведённые тогда исследования показали, что вокализация животных изменилась. Кроме того, в отделах мозга мышей (тех, что связаны с речью у людей) нейроны изменили своё строение и активность. А это уже что-то!

Более детальным исследованием занялась группа учёных под руководством Женевьевы Конопки (Genevieve Konopka) и Дэниела Гешвинда (Daniel Geschwind) из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе. Биологи вырастили в чашках Петри колонии клеток мозга, у которых отсутствовал ген FOXP2.

Затем одной части клеток была внедрена человеческая версия гена, а второй - от шимпанзе. После этого специалисты проследили за экспрессией генов, процессом перевода информации ДНК в работающие белки клетки и зарегистрировали, на каких генах и как отразились эти изменения.

В своей статье в журнале Nature учёные пишут, что из сотен подвластных FOXP2 генов удалось вычленить 116, которые реагировали на активацию человеческой версии не так, как на ген, взятый у обезьян. "Определив состав этой группы, мы заполучили в свои руки набор инструментов, позволяющих влиять на человеческую речь на молекулярном уровне", - заявляет Конопка.

Эта подборка генов, скорее всего, тоже участвовала в эволюции речи и языка, так как многие её составляющие контролируют развитие мозга или же связаны с познавательными способностями. Часть генов определяет появление и контролирует движение тканей лица и гортани (которые, как известно, активно участвуют в артикуляции).

Предварительные исследования Гешвинда эволюции тех самых 116 генов показали, что у них была примерно одна и та же история. "Возможно, они изменялись все вместе, как бы в связке", - рассуждает учёный.

Дэниел также отмечает, что, несмотря на доказанную важность FOXP2, он не стал бы называть его "геном речи". Возможно, FOXP2 – лишь часть некой группы, или же он не является первым звеном цепи (его работой также управляет какая-то неизвестная доселе субстанция), поясняет биолог.

Гешвинд говорит об этом не просто так. Его группа провела второй эксперимент: сравнила активацию генов во взрослых тканях мозга человека и шимпанзе. Оказалось, что существует частичное совпадение в работе тех генов, активность которых отличалась в мозге людей, и тех, что по-другому контролировались человеческой версией FOXP2.

Пока рано делать какие-то выводы, но велика вероятность, что большая часть различий в мозге Homo sapiens и шимпанзе (по языковой линии) объясняется лишь двумя небольшими изменениями в одном гене. "Если это правда, было бы просто невероятно", - говорит Вольфганг Энард (Wolfgang Enard) из института эволюционной антропологии Макса Планка. (От себя добавим, что это снова подчеркнёт плавность перехода способностей от шимпанзе к человеку.)

"Эта работа – начальная точка, основа всех будущих молекулярных исследований, посвящённых изучению эволюции языка", - добавляет нейробиолог Пашко Ракич (Paško Rakić) из Йеля.

Прокомментировала нынешнюю работу и профессор Фаранех Варгха-Кхадем (Faraneh Vargha-Khadem) из университетского колледжа Лондона. Она занимается нарушениями речи пациентов, обусловленными генетическими отклонениями (и в активности FOXP2 в частности).

Профессор соглашается с выводами нынешней научной группы и отмечает, что у её больных часто встречается искривлённая форма нижней части лица (что ещё раз подтверждает: влияние FOXP2 – многогранное). Возможно, шимпанзе не могут говорить из-за тех же физических отклонений. Человек не мог бы танцевать, не будь у него ног, сравнивает Варгха-Кхадем.

Да, никто из наших братьев меньших, включая столь близких нам шимпанзе, не может общаться так же осмысленно и полноценно, но при этом лошади, к примеру, используют некое подобие слов , обезьяны вроде бы понимают грамматику и различают голоса , а сурикаты – интонации сородичей . Может, они и облекли бы свои мысли в слова, но у них нет соответствующих генетических предпосылок.

Фаранех поддерживает Дэниела и в вопросе комплексного подхода к развитию речи у людей. Не стоит концентрироваться лишь на одном гене и его многочисленных подопечных, считает она.

Кроме того, Варгха-Кхадем предполагает, что FOXP2 дал человеку лишь физическую возможность заговорить, но это не объясняет, как абстрактные идеи материализовались в древнем человеческом мозгу в слова, как появились высшие познавательные навыки. И с этим ещё предстоит разбираться.

Впрочем, и собственно с произношением учёным работать ещё очень долго. Ведь если вдуматься, "движение всех тех мускулов, что ответственны за произношение, – это тоже маленькое чудо", – говорит Варгха-Кхадем. Дабы воспроизвести последовательности звуков так, чтобы они были понятны слушателю, нужно тоже пройти очень долгий путь развития.

Каких-то особенных, невероятных преимуществ у человека пока обнаружено не было. Может, некоторые животные уже двигаются по этому пути, постепенно и незаметно догоняя людей?

Речь – функция мозга, которая присуща только человеку. Но обладал ли ею неандерталец? Последние «прочтения» аминокислотной последовательности белкового продукта гена речи говорят о том, что, по крайней мере, развитой речи у обитателей долины реки Неандер, притока Рейна, не было.

Все началось более 10 лет назад, когда в Англии была описана семья КЕ, три поколения представителей которой страдают расстройством речи и языка в более общем смысле этого слова. Мало того, что они говорили «улица Койкого», они к тому же изменяли порядок слов в предложении, что в английском просто недопустимо. При этом уровень их интеллекта в целом особенно не страдал.

Хромосомные исследования членов семьи позволили выявить ту зону, в которой предположительно располагался дефектный ген. Исследовательница, которая впервые описала семью КЕ, описала и 5-летнего мальчика со сходными нарушениями речи. Хромосомный анализ позволил выявить транслокацию (т.е. «перескок») участка 5-й хромосомы на 7-ю, в результате которой один из генов просто «разломился» пополам.

Ген назвали «Спич», что по-английски означает «речь». Он кодирует белок, который является важным регулятором генной активности. Повреждение гена приводит к точечной замене аргинина на гистидин в первичной структуре белка.

Статья в журнале Nature , посвященная описанию гена речи, была опубликована в октябре 2001 г. И вот в середине августа 2002 г. журнал вновь обратился к этой теме, опубликовав статью С.Паабо из Лейпцигского Института эволюционной антропологии.

В свое время Паабо прославился выделением и секвенированием ДНК мумии. На этот раз он секвенировал белки гена речи у человекообразных обезьян, человека и макак-резус. Предки человекообразных и макак разошлись друг с другом примерно 70 млн лет назад. Математический анализ последовательностей аминокислот показал, что человеческая версия гена речи фиксировалась 120 тыс. лет назад и никак не раньше 200 тыс. лет назад.

Какие же преимущества давала человеческая форма гена? Вполне возможно, что именно развитие речевой коммуникации как наиболее информоемкой и требующей минимума энергии стало тем преимуществом, которое позволило современному человеку «совладать» со своими неандертальскими братьями.

По материалам

Nature , 2001, № 6855, р. 519
Science , 2002, № 5540, р. 32; № 5584, р. 1105

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 — 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.

«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.

Наша способность к речи возникла благодаря нескольким мутациям в речевом гене. (Фото H. ARMSTRONG ROBERTS / Corbis).

Стриатум в мозге человека. (Фото Википедия).

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 (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.