Ja runa ir cilvēka evolucionārs ieguvums, tai jābūt arī ģenētiskam pamatam. Ir vispārpieņemts fakts, ka tikai 1% atšķir mūs no tuvākā radinieka starp pērtiķiem ģenētiskais materiāls. Šķiet, ka tas nav daudz, taču kārtot visu genomu, meklējot interešu atšķirības, nav tik vienkārši. Šī pieeja vēl nesniedz satriecošus atklājumus: lielākā daļa konstatēto atšķirību ir funkcionāli neitrālas. Tāpēc "viscilvēcīgāko" pazīmju, kas ietver runu, ģenētika lielākoties paliek nezināma. Tomēr mums ir pieejama cita pieeja: patoloģijas ģenētiskā pamata noteikšana pacientiem ar mums interesējošo funkciju traucējumiem. Tādā veidā ir atklāts viss, kas mūsdienās ir zināms par runas ģenētiku.

KE ģimene

90. gados zinātnieku uzmanības lokā nonāca viena britu ģimene, kas literatūrā tiek dēvēta par KE. Šajā ģimenē diezgan smagi runas traucējumi radās trīs paaudzēs, un tie tika pārmantoti kā autosomāli dominējoša iezīme. Šis atklājums izraisīja milzīgu ažiotāžu: daži zinātnieki ātri secināja, ka esam tuvu "runas gēna" vai pat "gramatikas gēna" atklāšanai. Ilgi pirms bioloģija to varēja apstiprināt vai atspēkot, Noams Čomskis uzstāja, ka pastāv kaut kāds iedzimts valodas apguves mehānisms (valodas apguves ierīce), kas jau ir "uzasināts" universālai gramatikai, iepriekš "zinot" valodas vispārīgos principus un tikai gaida konkrētu valodas vidi . Bet, ja mehānisms ir iedzimts, tam būs ģenētisks pamats - un visu to cilvēku acis, kuri cerēja atrast šos iemeslus, pievērsās KE ģimenei.

Vispirms tika veikta neiropsiholoģiskā izmeklēšana. Izrādījās, ka visiem ģimenes locekļiem, arī tiem, kuriem nebija runas traucējumu, IQ bija zem vidējā līmeņa. Tas ir, pirmkārt, aprakstītie runas traucējumi nav gluži specifiski, un dažas izpausmes var būt saistītas ar garīgo atpalicību. Otrkārt, īpašie runas testi arī neapstiprināja hipotēzi, ka tiek ietekmēta spēja lietot gramatikas noteikumus. Drīzāk pacientiem bija grūtības ar kustību koordināciju, orofaciālās zonas muskuļu kontroli. Tajā pašā laikā traucējumiem bija apraksijas raksturs, tas ir, motoru programmu attīstības pārkāpums, bet īpaši saistībā ar runu; kopš tā laika tas ir atbilstoši nosaukts: bērnu runas apraksija. Bet interesanti, ka defekti tika konstatēti ne tikai mutvārdu runā, bet arī rakstveidā, kā arī runas uztverē (ir zināms, ka atsauce uz mūsu pašu, iekšējām motoru programmām ir nepieciešama, lai uztvertu kāda cita runu). Neiroattēlveidošanas pētījumi ir parādījuši, ka pastāv smadzeņu attīstības traucējumi, kas izraisīja morfoloģiski nosakāmas izmaiņas noteiktu struktūru izmērā, tostarp subkortikālos kodolos un smadzenītēs.

Tomēr saistība ar runas funkciju bija acīmredzama, un šī bija vienīgā "ģenētiskā norāde", kas nonāca zinātnieku rokās. Deviņdesmito gadu beigās KE ģimenē sākās ģenētisko struktūru meklēšana, kas izraisītu runas traucējumus. Pirmkārt, viņi atklāja, ka 7. hromosoma atšķiras pēc savas struktūras, pēc tam - tās īpašā sadaļa, kurā, domājams, gēns bija lokalizēts. To nosauca par SPCH1 - un, visbeidzot, izmantojot datus no cita klīniska gadījuma, tika atrasts pats gēns - FOXP2.

FOXP2 evolūcijā

FOXP2 produkts ir transkripcijas faktors, tas ir, tas regulē citu gēnu ekspresiju. Tas tieši saistās ar DNS reģionu, kas satur šos gēnus, kas ietekmē to transkripcijas iespējamību. Šī proteīna iezīme ir strukturāls motīvs - dakšveida domēns (forkhead-box jeb, īsi sakot, FOX domēns), kas saistās ar DNS.

Acīmredzot gēns ir iesaistīts funkcijās, kas ir svarīgākas par runu. Uz to liecina tas, ka cilvēku populācijā nav tādu indivīdu, kuriem būtu bojātas abas FOXP2 kopijas. Turklāt evolūcijas pētījumos ir atklāts, ka šis gēns ir ļoti konservēts zīdītājiem: šimpanzēm, gorillām un rēzus makakiem tas atšķiras tikai ar vienu aminoskābes aizvietotāju no tā ortologa pelēm. Atbilstošais pērtiķa gēns atšķiras no cilvēka ortologa ar divām aminoskābju aizstāšanām. Taču būtiskākas atšķirības atklājas izpausmes būtībā: piemēram, cilvēkiem glutamīna molekulu atkārtošanās secība ir dažāda garumā, savukārt šimpanzēm šī pazīme nav novērojama. Turklāt tika atzīmēts, ka cilvēkiem, salīdzinot ar varbūtības aprēķiniem, aktīvo aizstāšanu skaits ir lielāks nekā kluso aizstāšanu (klusās mutācijas neizraisa izmaiņas aminoskābju secībā). Tas norāda, ka notikusi atlase par labu FOXP2 gēna cilvēka variantam, proti, tas varētu būt vismaz viens no gēniem, kas noteica valodas spēju rašanos evolūcijā.

FOXP2 introna mainīguma analīze dažādās cilvēku populācijās ļāva aptuveni novērtēt mutācijas parādīšanās laiku, kas noveda pie gēna moderns izskats. Tas notika apmēram pirms 220 tūkstošiem gadu, tas ir, mūsdienu anatomiskā tipa (CHSAT) cilvēka Homo Sapiens veidošanās laikā. Tomēr vēlāk izrādījās, ka FOXP2 izskatījās tāpat kā neandertāliešiem, proti, gēnam vajadzēja parādīties neandertāliešu un PCAT kopīgā senča pastāvēšanas laikā, aptuveni pirms 300-400 tūkstošiem gadu. Tomēr pašas iepazīšanās metodes prasa papildu pārbaudi.

FOXP2 pelēm

Nākamais pētnieku solis bija izpētīt FOXP2 funkcijas, un, tā kā pelēm tas atšķiras tikai ar dažām aminoskābju aizvietotājiem, šķiet, ka tie ir noderīgs modelis. Starp Foxp2 nokautēšanas sekām (peles versijā tā pareizrakstība ir nedaudz atšķirīga) ir tās, kas saistītas ar vokalizāciju: šādi dzīvnieki retāk spontāni izrunā balsi, taču tie ir strīdīgi un nebūt nav pirmajā vietā. Embrioģenēzes laikā Foxp2 nokautām pelēm tiek traucēta neironu augšana un sazarošanās, kā arī tiek izkropļots aksonu augšanas virziens. Peles ar "izslēgtu" gēnu dzīvo 3-4 nedēļas, lēnām pieņemas svarā un ne

sasniedz normālus izmērus, ir vairāki motoriski traucējumi, kas izskaidrojams ar aizkavētu smadzenīšu nobriešanu. Cilvēkiem nav neiroloģisku simptomu, kas saistīti ar FOXP2 defektiem, izņemot minētos kognitīvos trūkumus.

Iespējams, ka FOXP2 gēna (un tā homologa pelēm) normālu kopiju neesamības letalitāte ir saistīta ar tā iedarbību citos audos, piemēram, sirdī un plaušās. Gēns galvenokārt izpaužas garozas dziļajos slāņos, smadzenīšu Purkinje šūnās un vidēja izmēra smailajos neironos striatumā.

Vēl viens eksperiments bija izveidot pelēm tādu pašu mutāciju FOXP2, kas izraisīja slimību KE ģimenē (un arī heterozigotā stāvoklī). Šādas nomaiņas sekas tiek pētītas sīkāk audu līmenī. Mainīta ir sinaptiskā plastiskums kortiko-striatālajā un -smadzenīšu savienojumos; striatuma smailo neironu glutamaterģiskajās sinapsēs ilgstoša depresija tika novērota retāk nekā parasti. Attiecīgi tika paaugstināts šo neironu bazālās aktivitātes līmenis elektrofizioloģiskajos pētījumos, kas atbilst neiroattēlveidošanas rezultātiem pašā KE: tas arī parādīja striatāla disfunkciju.

Interesanti ir FoxP2 pētījumi ar putniem: lai gan viņu gēna versija vairāk atšķiras no cilvēka, ir pierādīta tā skaidra saistība ar vokalizāciju. Gēns ir ļoti izteikts striatumā, kas ir daļa no neironu tīkla, kas ir atbildīgs par dziedātājputnu vokalizāciju. Uz zebras žubītēm izdevās parādīt, ka, mākslīgi samazinot gēna ekspresiju ar molekulāri ģenētiskām metodēm, cālis savu sugas dziesmu apgūst nepilnīgi un deformētā veidā.

Mērķis FOXP2

Ja FOXP2 ir transkripcijas faktors, tad starp tā mērķiem jābūt gēniem, kas tieši ietekmē runas veidošanos. Faktiski ir zināmi vairāki šādi gēni:

- CNTNAP2 (ar kontaktiem saistītais proteīnam līdzīgais 2) kodē transmembrānas proteīnu CASPR2, kas pieder neireksīnu virsģimenei un mediē starpšūnu mijiedarbību. Ir pierādīta dažādu šī gēna mutāciju saistība ar autismu, šizofrēniju, epilepsiju un Tureta sindromu. Visiem šo mutāciju nesējiem ir vienas un tās pašas fenotipiskās pazīmes — garīga atpalicība, krampji, autisma uzvedība un runas traucējumi —, un katra no šīm pazīmēm var būt dažāda smaguma pakāpe no vieglas līdz invaliditātei. Runas traucējumi, kas mūs interesē, izpaužas ar kavēšanos runas attīstība, pilnīgs runas trūkums un dizartrija. Visvairāk pētīta ir viena no SNP (viena nukleotīda polimorfisms, viena nukleotīda polimorfisms) saistība ar specifiskiem valodas traucējumiem (SLI), slimību, kuras gadījumā runa ir traucēta, ja nav dzirdes traucējumu un autisma pazīmju. Augsts līmenis CNTNAP2 ekspresija tiek novērota Brokas apgabala garozas II-IV slāņos un apgabalos, kas ieskauj Silvijas vagu.

– SRPX2 un uPAR gēni darbojas kompleksā, un FOXP2 regulē abu ekspresiju. SRPX2 gēns ir saistīts ar Rollandic epilepsiju un runas apraksiju; morfoloģiski šādiem pacientiem bieži ir mikrogīrija Sylvian sulcus reģionā. Ir pierādīts, ka pelēm ir SRPX2 ekspresija, kas ietekmē ierosinošo sinapšu un muguriņu veidošanos, t.i., šīs saites traucējumi var būt saistīti ar atbilstošo FOXP2 izsituma efektu pelēm. uPAR gēns kodē plazminogēna aktivatora receptoru, kas ir iesaistīts SRPX2 efektā.

– starp gēniem, kuru ekspresiju kontrolē FOXP2, ir autisma kandidātgēni, piemēram, MET vai MEF2C. MEF2C (miocītu pastiprinātāja faktora 2C) funkcija, iespējams, ir samazināt (t.i., nomākt) dendritisko muguriņu un ierosinošo sinapsu veidošanos hipokampu neironos; tas pats notika eksperimentā ar kultivētām striatuma šūnām. Tā kā FOXP2 samazina MEF2C ekspresiju, tā disfunkcija izraisa pretēju efektu, kas atbilst iepriekš minētajiem datiem: FOXP2 nokautām pelēm mēs redzam striatālo neironu hiperaktivitāti. Ontoģenēzē tas noved pie kortikostriatālo savienojumu veidošanās citā apjomā nekā parasti. MET gēns kodē tirozīna kināzes receptoru, kas ir iesaistīts daudzos procesos embrioģenēzes laikā. Attiecībā uz neiroģenēzi ir zināms, ka šis gēns tiek aktīvi ekspresēts neironu augšanas konusos agrīnās attīstības stadijās, un tā aktivizēšana ietver mazo GTPāzes Cdc42 un stimulē neironu augšanu, dendrītu sazarojumu un mugurkaula veidošanos. MET inaktivācija eksperimentā izraisīja izmainītu neironu veidošanos, kas pēc struktūras atbilda agrīnajiem nobriešanas posmiem. Ja MET aktivizēšana embrioģenēzē tika pagarināta, tas nomāca glutamaterģisko sinapsu veidošanos un nobriešanu. Mēģinājumi manipulēt ar MET ekspresijas līmeni prefrontālā reģiona neironos izraisīja veidošanās pārkāpumu neironu tīkli kurā parasti ir iesaistīti šie neironi.

– DISC-1 (Disrupted in Schizophrenia) gēns sākotnēji tika pētīts kā iespējamais šizofrēnijas cēlonis, bet pašlaik tiek pētīts daudzu citu garīgo traucējumu, tostarp afektīvo, garīgās atpalicības un autisma, gadījumā. Tās funkcijas ir slikti izprotamas, taču tiek pieņemts, ka tas ir nepieciešams arī sinaptoģenēzei.

Citas slimības, citi gēni

Papildus FOXP2 un tā komandai tiek atrasti arī citi gēni, kuru bojājumi ietekmē dažādus runas prasmes aspektus. Ir skaidrs, ka tikai viens gēns, pat ja tas ir transkripcijas faktors, nevarēja pilnībā noteikt valodas attīstību un dot cilvēka evolūcijai tik strauju pavērsienu. Acīmredzot tas notika lēni un prasīja daudzas izmaiņas.

Starp bērnu garīgajiem traucējumiem ir īpaša sadaļa, kas īpaši veltīta runas traucējumiem. Tā kā tā ir ģenētiski noteikta patoloģija, kas bieži izpaužas bērnībā, tad konkrētu bērnu runas traucējumu ģenētiskā bāze ir pietiekami labi izpētīta.

1. Attīstības disleksija (lasīšanas traucējumi) – grūtības ar izrunu un lasīšanu, ko nevar izskaidrot ar citiem acīmredzamiem cēloņiem, piemēram, zemu IQ vai fiziskiem traucējumiem, kā arī ar mācīšanās traucējumiem. Skar 5-10% bērnu skolas vecums, un pieaugušā vecumā grūtības saglabājas. Bieži rodas grūtības ar runas izpratni, ko atklāj smalkāki testi.

Genoma mēroga pētījumos ir identificēti 9 DYX1-9 reģioni, kas var būt saistīti ar šīs slimības attīstību. Trīs no tiem ir lokalizēti specifiski gēni:

– DYX1 reģionā DYX1C1 gēns. Šī gēna funkcijas ietver neironu migrāciju, citoskeleta organizāciju. Pēcnāves pētījumos smadzenēs cilvēkiem ar DYX1C1 mutācijām kreisajā puslodē tika konstatētas vieglas malformācijas, kas saistītas ar distopiskiem neironiem un glia.

– DYX2 reģions satur KIAA0319 un DCDC2 gēnus. KIAA0319 gēns kodē membrānas proteīnu ar lielu ārpusšūnu domēnu, kas nepieciešams neironu adhēzijai. DCDC2 kodē vienu no dubultkortīna domēniem (proteīns, ko ekspresē nenobrieduši neironi, neiroģenēzes marķieris) un ir nepieciešams citoskeleta mediētai intracelulārai dinamikai.

– DYX5 reģionā ROBO1 gēns, kas kodē virzošo receptoru aksoniem, kas šķērso viduslīniju. Tās mutācijas attiecīgi noved pie disfunkcionālu starpsfēru savienojumu veidošanās.

2. specifisks traucējums runa - ne citu iemeslu dēļ, nespēja apgūt sarunvalodu, kas ietekmē vienu no tās svarīgajiem aspektiem: morfoloģiju, sintaksi, pragmatiku vai semantiku. Var būt traucēta gan runas reprodukcija, gan uztvere, un rakstu valoda. Ar šo slimību slimo līdz 7% bērnu vecumā no 5 līdz 6 gadiem. Ar vecumu deficīts tiek koriģēts, bet novirzes sarežģītos testos paliek pieaugušā vecumā. Mēs jau esam minējuši vienu no šī traucējuma kandidātgēniem, CNTNAP2. Vēl divi tika lokalizēti 16. hromosomā: CMIP un ATP2C2. CMIP kodē proteīnu, kas nonāk citoskeletā, un, izņemot SPP, tā mutācijas rodas pacientiem ar autismu. ATP2C2 kodē kalcija ATPāzi un ir iesaistīts magnija un kalcija līmeņa regulēšanā šūnās.

3. Bērnu runas apraksija - traucējumi, kas tika aprakstīti materiāla sākumā, tieši tas palīdzēja atklāt FOXP2 gēnu. Tomēr vēlāk izrādījās, ka tikai nelielai daļai pacientu, kas atbilst šī traucējuma kritērijiem, ir FOXP2 gēna bojājumi, tas ir, vairumam gadījumu runas apraksijai bērnībā ir jābūt citu iemeslu dēļ.

4. Skaņu izrunas traucējumi - runas skaņu atveidošanas un pareizas lietošanas grūtības, kas visbiežāk izpaužas ar nozīmes izpratnei nozīmīgu skaņu izlaišanu un aizstāšanu. Šo parādību ļoti bieži novēro maziem bērniem, kuri tikai mācās runāt. Tas tiek uzskatīts par patoloģisku, ja tas saglabājas līdz sešu gadu vecumam - tas notiek aptuveni 4% gadījumu. Šo traucējumu ir grūti atšķirt no bērnības apraksijas un specifiskiem

runas traucējumi. Var būt kopīgs ģenētiskais pamats ar disleksiju, jo visnozīmīgākā saistība ir konstatēta ar izmaiņām DYX5 reģionā.

5. Stostīšanās - piespiedu atkārtošana un zilbju pagarināšana, pauzes, kas pārkāpj runas gludumu. Parasti izzūd ar vecumu, bet aptuveni 20% pacientu turpina stostīties arī pieaugušā vecumā. Runas semantiskās un gramatiskās īpašības, kā likums, netiek pārkāptas. Ir atrasta saistība ar trim gēniem, kas iesaistīti lizosomu enzīmu objektu atpazīšanā: GNPTAB, GNPTG un NAGPA. Visi trīs gēni kodē enzīma N-acentil-glikozamīna-1-fosfotransferāzes apakšvienības, kas ir nepieciešamas mannozi saturošu oligosaharīdu "marķēšanai" un pēc tam lizosomu atpazīšanai. Šie gēni var būt saistīti arī ar nopietnāku slimību nekā stostīšanos – 2. un 3. tipa mukolipidozi.

Ir zināms arī MCPH un ASPM gēnu komplekss, kura defekti izraisa mikrocefāliju. Šādiem pacientiem valodas attīstība nepārsniedz sešus gadus veca bērna līmeni. Tomēr viņiem ir pamata valodas prasmes, kas mūs atkal noved pie smadzeņu iekšējās struktūras nozīmes, nevis tās lieluma. MCPH kodē proteīnu mikrocefalīnu, kas ir iesaistīts šūnu cikla organizēšanā un DNS atjaunošanā pirms dalīšanās. ASPM produkts ir nepieciešams sadalīšanas vārpstu konstruēšanai un nodrošina iegūto šūnu simetriju. Interesanti, ka šo gēnu defektīvie varianti ir reti sastopami Āfrikā, kur tonālās valodas ir izplatītas, un bieži (līdz 30%) Eiropā, kur šāda veida valoda nav.

Kā tas nākas, ka mēs, cilvēki, varam runāt un mūsu diezgan tuvi radinieki šimpanzes nevar? Amerikāņu eksperti veica liela mēroga pētījumu, kura laikā mēģināja noskaidrot, kas kļuva patiesais iemesls tik kritiska atšķirība. Vai smadzeņu attīstība gadu gaitā ir tik svarīga, vai par visu ir atbildīgi mūsu gēni?

Verbālā komunikācija starp cilvēkiem tiek uzskatīta par vienu no galvenajām cilvēka atšķirīgajām iezīmēm, kas atdala viņu no pārējās dzīvnieku pasaules. Lai šī robeža ir nosacīta, un dzīvniekiem joprojām ir noteiktas runas izpausmes (kā arī izpratne, runāto un dzirdamo skaņu uztvere). Bet neapstrīdams fakts ir tāds, ka viņi nesasniedz cilvēka līmeni.

Kāda ir unikalitāte Homo sapiens, nolēma noskaidrot noteiktu ģenētiku no Kalifornijas universitātēm Losandželosā (UCLA) un Emory (Emorijas universitātē). Viņi ierosināja, ka mūsu gēni ir "vainīgi". Tomēr zinātnieki šajā jomā, protams, bija tālu no pirmajiem, taču šī speciālistu grupa pirmo reizi veica tik plašu pētījumu par runas parādīšanās cilvēkiem ģenētisko pamatu.

Jau sen ir zināms, ka centrālais gēns, kas ir atbildīgs par pareizu runas attīstību cilvēkiem, ir FOXP2. Šis gēns kodē tāda paša nosaukuma proteīnu, pateicoties kuram FOXP2 var kontrolēt citu gēnu darbu.

Iepriekšējie pētījumi ir parādījuši, ka tad, kad šis gēns ir inaktivēts, cilvēkiem rodas nopietnas problēmas ar runu (veidojot frāzes) un skaņu izrunu.

Tomēr FOXP2 ir sastopams arī dažiem dzīvniekiem (putniem, rāpuļiem un pat zivīm). Loģiski, ka izrādās, ka ne viņš ir atbildīgs par runas parādīšanos cilvēkā. Dažas zinātniskās grupas sāka meklēt citus "runas gēnus", citas turpināja detalizēti pētīt FOXP2 darbu.

Turpmākie pētījumi parādīja, ka zīdītāju evolūcijas laikā FOXP2 gandrīz nemainījās (līdz cilvēku un šimpanžu atdalīšanas laikam). Tomēr aptuveni pirms 200 tūkstošiem gadu gēns sāka iegūt savas "cilvēciskās" pazīmes.

Pēdējo 2002. gadā izveidoja vācu zinātnieku grupa. Pēc tam biologi atklāja, ka šimpanzēm šī gēna versijas kodētajiem proteīniem ir dažas atšķirības no cilvēkiem. Tas varētu nozīmēt, ka FOXP2 cilvēkiem darbojas atšķirīgi. Līdz ar to unikālās lingvistiskās spējas.

Vēl vienu soli ceļā uz notiekošo procesu izpratni šogad veica Maksa Planka Evolūcijas antropoloģijas institūta (Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie) ģenētiķi. Viņi ievietoja cilvēka gēna versiju peles DNS.

Protams, tāpēc grauzēji nerunāja kā cilvēki: galu galā runas spēja ir sarežģīta prasme. Taču pēc tam veiktie pētījumi parādīja, ka dzīvnieku vokalizācija ir mainījusies. Turklāt peļu smadzeņu reģionos (tos, kas saistīti ar runu cilvēkiem), neironi ir mainījuši savu struktūru un aktivitāti. Un tas jau ir kaut kas!

Detalizētāku pētījumu veica zinātnieku grupa, kuru vadīja Ženevjēva Konopka un Daniels Gešvinds no Kalifornijas universitātes Losandželosā. Biologi Petri trauciņos ir izaudzējuši smadzeņu šūnu kolonijas, kurām trūkst FOXP2 gēna.

Tad viena šūnu daļa tika ievadīta ar cilvēka gēna versiju, bet otrā - no šimpanzes. Pēc tam speciālisti sekoja līdzi gēnu ekspresijai, DNS informācijas pārvēršanas procesam šūnas darba proteīnos un reģistrēja, kuri gēni un kā šīs izmaiņas atspoguļojas.

Savā rakstā žurnālā Nature zinātnieki raksta, ka no simtiem FOXP2 pakļauto gēnu viņi spējuši izolēt 116, kas uz cilvēka versijas aktivizēšanu reaģēja savādāk nekā uz gēnu, kas ņemts no pērtiķiem. «Nosakot šīs grupas sastāvu, mēs tikām pie instrumentu kopuma, kas ļauj ietekmēt cilvēka runa molekulārā līmenī," saka Konopka.

Šī gēnu kolekcija, iespējams, ir iesaistīta arī runas un valodas evolūcijā, jo daudzas tās sastāvdaļas kontrolē smadzeņu attīstību vai ir saistītas ar kognitīvām spējām. Daļa gēnu nosaka izskatu un kontrolē sejas un balsenes audu kustību (kuriem zināms, ka tie aktīvi piedalās artikulācijā).

Geschwind sākotnējie pētījumi par šo 116 gēnu evolūciju parādīja, ka tiem ir aptuveni tāda pati vēsture. "Varbūt viņi mainījās visi kopā, it kā saišķī," apgalvo zinātnieks.

Daniels arī atzīmē, ka, neskatoties uz pierādīto FOXP2 nozīmi, viņš to nesauktu par "runas gēnu". Iespējams, FOXP2 ir tikai daļa no noteiktas grupas, vai arī tas nav pirmais ķēdes posms (tā darbu arī kontrolē kāda līdz šim nezināma viela), skaidro biologs.

Gešvinds to saka iemesla dēļ. Viņa grupa veica otru eksperimentu: viņi salīdzināja gēnu aktivāciju pieauguša cilvēka un šimpanzes smadzeņu audos. Izrādījās, ka pārklāšanās notiek to gēnu darbā, kuru darbība cilvēka smadzenēs bija atšķirīga, un tiem, kurus FOXP2 cilvēka versija kontrolēja atšķirīgi.

Ir pāragri izdarīt kādus secinājumus, bet visticamāk, ka lielākā daļa atšķirību smadzenēs Homo sapiens un šimpanze (gar valodas līniju) ir saistīta tikai ar divām nelielām izmaiņām vienā gēnā. "Ja tā ir taisnība, tas būtu neticami," saka Volfgangs Enards no Maksa Planka Evolūcijas antropoloģijas institūta. (Mēs paši piebilstam, ka tas vēlreiz uzsver vienmērīgu spēju pāreju no šimpanzes uz cilvēku.)

"Šis darbs ir sākumpunkts, visas nākotnes pamats molekulārie pētījumi veltīta valodas evolūcijas izpētei," piebilst Jēlas neirozinātnieks Paško Rakičs.

Komentēja pašreizējo darbu un profesoru Faraneh Vargha-Khadem (Faraneh Vargha-Khadem) no Londonas Universitātes koledžas. Viņa nodarbojas ar pacientu runas traucējumiem ģenētisku anomāliju dēļ (un jo īpaši FOXP2 darbībā).

Profesore piekrīt pašreizējās zinātniskās grupas secinājumiem un atzīmē, ka viņas pacientiem bieži ir izliekta sejas apakšējā daļa (kas vēlreiz apliecina, ka FOXP2 ietekme ir daudzšķautņaina). Iespējams, ka šimpanzes nevar runāt to pašu fizisko traucējumu dēļ. Cilvēks nevarētu dejot, ja viņam nebūtu kāju, salīdzina Vargha-Khadem.

Jā, neviens no mūsu mazākajiem brāļiem, arī mums tik tuvās šimpanzes, nevar tik jēgpilni un pilnvērtīgi sazināties, bet tajā pašā laikā zirgi, piemēram, lieto kaut kādus vārdus, šķiet, ka pērtiķi saprot gramatiku un atšķir balsis, bet surikāti - radinieku intonācijas. Varbūt viņi izteiktu savas domas vārdos, bet viņiem nav atbilstošu ģenētisko priekšnoteikumu.

Faranehs arī atbalsta Danielu jautājumā par integrētu pieeju runas attīstībai cilvēkiem. Viņa saka, ka nevajadzētu koncentrēties tikai uz vienu gēnu un tā daudzajām nodaļām.

Turklāt Vargha-Khadem norāda, ka FOXP2 cilvēkam deva tikai fizisku spēju runāt, taču tas nepaskaidro, kā abstraktās idejas materializējās senatnē. cilvēka smadzenes vārdos, kā parādījās augstākas kognitīvās prasmes. Un tas vēl ir jārisina.

Tomēr zinātniekiem vēl ļoti ilgi būs jāstrādā ar izrunu. Galu galā, ja tā padomā, "visu to muskuļu kustība, kas ir atbildīga par izrunu, arī ir mazs brīnums," saka Vargha-Khadem. Lai skaņu virknes atveidotu tā, lai tās būtu saprotamas klausītājam, jāiziet arī ļoti garš attīstības ceļš.

Līdz šim cilvēkiem nav atrastas īpašas, neticamas priekšrocības. Varbūt pa šo ceļu jau kustas kādi dzīvnieki, pamazām un nemanāmi tuvojoties cilvēkiem?

Runa ir smadzeņu funkcija, kas raksturīga tikai cilvēkiem. Bet vai neandertāliešiem tas piederēja? Pēdējie runas gēna proteīna produkta aminoskābju secības "lasījumi" liecina, ka vismaz Reinas pietekas Neander upes ielejas iedzīvotājiem runa nebija attīstīta.

Viss sākās pirms vairāk nekā 10 gadiem, kad Anglijā tika aprakstīta KE ģimene, kuras pārstāvji trīs paaudzes cieš no runas un valodas traucējumiem šī vārda vispārīgākā nozīmē. Viņi ne tikai teica "Koikogo iela", bet arī mainīja vārdu secību teikumā, kas angļu valodā ir vienkārši nepieņemami. Tajā pašā laikā viņu intelekta līmenis kopumā īpaši necieta.

Ģimenes locekļu hromosomu pētījumi ļāva identificēt zonu, kurā it kā atradās bojātais gēns. Pētnieks, kurš pirmo reizi aprakstīja KE ģimeni, aprakstīja arī 5 gadus vecu zēnu ar līdzīgiem runas traucējumiem. Hromosomu analīze atklāja 5. hromosomas sadaļas translokāciju (t.i. "lēcienu") uz 7., kā rezultātā viens no gēniem vienkārši "pārlūza" uz pusēm.

Gēnu nosauca par "Speech", kas angļu valodā nozīmē "runa". Tas kodē proteīnu, kas ir svarīgs gēnu aktivitātes regulators. Gēnu bojājumi noved pie tā, ka proteīna primārajā struktūrā arginīns tiek aizstāts ar histidīnu.

Žurnāla raksts Daba, kas veltīts runas gēna aprakstam, tika publicēts 2001. gada oktobrī. Un 2002. gada augusta vidū žurnāls atkal pievērsās šai tēmai, publicējot S. Paabo rakstu no Leipcigas Evolūcijas antropoloģijas institūta.

Savulaik Paabo kļuva slavens ar mūmiju DNS izolēšanu un sekvencēšanu. Šoreiz viņš sekvencēja runas gēnu proteīnus pērtiķiem, cilvēkiem un rēzus pērtiķiem. Pērtiķu un makaku senči atšķīrās viens no otra apmēram pirms 70 miljoniem gadu. Matemātiskā analīze aminoskābju sekvences parādīja, ka runas gēna cilvēka versija tika fiksēta pirms 120 tūkstošiem gadu un ne agrāk kā pirms 200 tūkstošiem gadu.

Kādas bija gēna cilvēka formas priekšrocības? Pilnīgi iespējams, ka tieši runas komunikācijas attīstība kā informācijas ietilpīgākā un minimāli enerģijas prasoša kļuva par priekšrocību, kas ļāva mūsdienu cilvēks"tiek galā" ar saviem brāļiem neandertāliešiem.

Pamatojoties uz materiāliem

Daba, 2001, Nr. 6855, lpp. 519
Zinātne, 2002, Nr. 5540, lpp. 32; Nr.5584, lpp. 1105

Neraugoties uz dažādiem trikiem, ko var veikt laboratorijas peles, zinātnieki joprojām cenšas paplašināt savu palātu triku arsenālu. Superizturīgs, superspēcīgs, superātrs, superizturīgs vai, gluži otrādi, superuzņēmīgs pret visbīstamākajām slimībām – ar zinātnieku gribas ģenētiski iegūto spēju saraksts neaprobežojas ar to.

Volfgangs Enards no Maksa Planka Evolūcijas antropoloģijas institūta Leipcigā un viņa kolēģi izvirzīja sev gandrīz neiespējamu uzdevumu iemācīt pelēm runāt.

Nu, vai vismaz pārstādīt cilvēka Foxp2 runas gēna versiju pelēm.

Arī pelēm un citiem dzīvniekiem, tostarp primātiem, ir šis gēns, pareizāk sakot, DNS sekvence, kas kodē Foxp2 transkripcijas faktoru, taču tā atšķiras no cilvēka viena ar divām punktu mutācijām. Tiek uzskatīts, ka šīs mutācijas deva cilvēkam unikālu spēju gan runāt, gan atšķirt runu. Šīs mutācijas vecuma aplēsēs zinātnieki nepiekrīt - no 100 līdz 500 tūkstošiem gadu. Jautājums par Foxp2 vecumu un evolūciju pat ir kļuvis gandrīz par galveno diskusiju tēmu nesen atšifrēts neandertāliešu genoms.

Tomēr šī transkripcijas faktora ietekme joprojām nav skaidra. Acīmredzot tik sarežģītu procesu kā runu nevar nodrošināt tikai viens gēns, ir nepieciešama atbilstoša elpceļu un balss saišu struktūra. Turklāt smadzenēm un dzirdes orgānam ir jāspēj uztvert un atšķirt tieši šo runu. Foxp2 vislabāk atbilst "regulatora" lomai - galu galā tas ir transkripcijas faktors, kas regulē visdažādāko gēnu (kurus no tiem nav pilnībā zināms) darbu. Proti, pietiek ar vienu Foxp2 gēna mutāciju, lai mainītu struktūru, īpašības un funkcijas vienlaicīgi vairākos audos – vai tā būtu nervu vai elpošanas sistēma.

Foxp2 par "runas gēnu" kļuvis salīdzinoši nesen: pagājušā gadsimta beigās izrādījās, ka tā mutācijas ir iedzimtu runas uztveres defektu cēlonis.

Bet darbības mehānisms, kā arī visas šī faktora funkcijas palika nezināms līdz mūsdienām. Raugoties nākotnē, Enarda darbs radīja daudz jautājumu, lai gan zinātnieki spēja aprakstīt Foxp2 cilvēka versijas ietekmi uz pelēm. Autori publikācijas Cell, kura saraksts kopā ar institūtiem aizņēma visu raksta pirmo lappusi, mēģināja atbildēt uzreiz uz diviem jautājumiem: kāda ir Foxp2 loma kopumā un kāda ir atšķirība starp cilvēka un pele Foxp2.

Lai to izdarītu, viņiem vispirms bija jāaudzē peles, kas bija heterozigotas šim gēnam - Foxp2 wt / ko (savvaļas tips / knockout), tas ir, viena šī gēna versija bija "savvaļas" - pele, bet otrā - pilnībā izslēgta. Papildus šai grupai zinātnieki ieguva arī Foxp2 hum/hum (cilvēka) peles, kurām abās pozīcijās bija cilvēka gēna versija. Pēc tam Enards un kolēģi, starp kuriem bija neandertāliešu genoma “galvenais speciālists”, Svante Pībo, novērtēja peles pēc gandrīz trīssimt fizioloģiskiem kritērijiem.

"Humanizētās" peles nekad nemācēja runāt, un tām pat bija mazāka dopamīna sekrēcija un mazāks izpētes entuziasms, taču tās radīja kvantitatīvi atšķirīgas ultraskaņas.

Viena gēna kopijas neesamība izraisīja absolūti pretēju efektu, kas vēlreiz pierāda Foxp2 cilvēka versijas lomu visās novērotajās parādībās. Šo atšķirību iemesls ir telencephalona bazālajos kodolos. Tieši šeit notiek signālu novirzīšana no garozas. puslodes muskuļiem, un daudzi refleksi šeit “aizveras”. Aktivitātes samazināšanās jaunu objektu meklēšanā un izpētē tiek skaidrota ar zemu dopamīna līmeni, baudas starpnieku, kas stimulē šādu uzvedību.

Runājot par galveno diskusijas tēmu - ietekmi uz runu, šeit lielākā daļa atšķirību izrādījās nenozīmīgas, lai gan autori spēja atrast nelielu atšķirību:

"humanizētās" peles, visticamāk, izstaro vairāk individuālas skaņas un izmantota šīm zemākajām pīķa frekvencēm, salīdzinot ar izslēgšanas frekvencēm vienam no gēniem.

Tomēr tas parāda tikai konkrētas cilvēka versijas lomu, nevis Foxp2 kopumā.

Acīmredzot Foxp2 visvairāk ietekmē runas un skaņas atpazīšanu, kā arī runas centrālo regulējumu. Pats interesantākais – pelēm, kuras dzīves laikā neiemācījās runāt, zinātniekiem pēc preparēšanas stāstīja:

"humanizētajās" pelēs vidējais īso procesu ilgums nervu šūnas- dendriti - izrādījās par 22% vairāk.

Tas veicina izglītību vairāk kontaktus starp šūnām, un līdz ar to vairāk efektīvs darbs nervu sistēma un jo īpaši dzirdes analizators.

Tādējādi Enards vēlreiz apstiprināja faktu, ka evolūcija tik perfektā grupā kā dzīvnieki galvenokārt ir saistīta ar transkripcijas faktoriem, nevis gēniem šī vārda parastajā nozīmē. Atliek meklēt Foxp2 papagaiļos, un jautājums par tā lomu beidzot tiks atrisināts.

Runas gēns palīdz pāriet no viena mācīšanās posma, kurā notiek izpratne un uzdevuma izpratne, uz citu, kad vēlamā prasme tiek apgūta, uz automātisku stāvokli.

Runas spējas nodrošina īpaša neironu aparāta darbs, un neironu tīklu struktūra ir atkarīga no gēniem, tāpēc būtu pilnīgi pareizi pieņemt, ka mums ir īpaši “runas gēni”. Tomēr līdz 2001. gadam zinātnieki gandrīz neko nezināja par to, kuri gēni ietekmē runu. Situācija mainījās pēc vienas ģimenes izpētes, kuras locekļi cieta no runas defektiem, un viņiem bija problēmas ne tikai ar izrunu, bet arī ar sintaksi, kā arī ar svešas runas izpratni. Izrādījās, ka šajā ģimenē gēns ir mutēts FOXP2, kurš acumirklī kļuva par "zvaigzni" zinātnes pasaulē.

Mūsu spēja runāt ir saistīta ar vairākām mutācijām runas gēnā. (Foto H. ARMSTRONG ROBERTS / Corbis).

Striatums cilvēka smadzenēs. (Foto Wikipedia).

Drīz kļuva skaidrs, ka viņš ir atbildīgs ne tikai par runas saprotamību: acīmredzot cilvēks parasti iemācījās runāt ar FOXP2. Tas, protams, tika atrasts arī šimpanzēm, taču tajās tas atšķīrās no cilvēka ar diviem nukleotīdu “burtiem” DNS; iespējams, ka mutācijas palīdzēja pārvērst dzīvnieku skaņas ļoti strukturētā runā. 2009. gadā tika veikts kuriozs eksperiments: cilvēks FOXP2 tika ieviesti peļu genomā, pēc kā pēdējās, protams, nesāka runāt cilvēka balsī, taču to radītās skaņas kļuva manāmi sarežģītākas. Turpmākie pētījumi parādīja, ka pelēm ar cilvēka genoms runa, mainījās neironu darbība striatumā (vai striatumā), kas cita starpā ir iesaistīta mācību procesos. Turklāt pat bēdīgi slavenā sieviešu runīgums bija saistīts ar šo gēnu - pēc tam, kad izrādījās, ka olbaltumvielu līmenis FOXP2 meitenes ir gandrīz par trešdaļu augstākas nekā zēni. Tomēr sīkāka informācija par to, kā šis gēns palīdz mums apgūt valodu, lielākoties palika neskaidra.

Mēs un dzīvnieki mācāmies divos posmos. Sākumā uzdevums ir sadalīts vairākos posmos, kurus pamazām mācāmies veikt. Piemēram, braucot ar velosipēdu, mēs paņemam stūri (un cenšamies to noturēt vienā līmenī), tad uzliekam kājas uz pedāļiem un tad sākam tos griezt. Sākumā šāda darbību secība prasa mūsu pilnīgu koncentrēšanos, taču ar laiku sākas mācīšanās “bezapziņas” daļa, kad mācāmies braukt arvien labāk, vienkārši atkārtojot visas iepriekš minētās darbības. Tas pats notiek ar valodu apguvi: vispirms mēs koncentrējamies uz izrunu un nozīmi atsevišķi vārdi, tad runa kļūst arvien raitāka, un galu galā mēs varam teikt “labdien” aparātā, nedomājot par to, kā un ko sakām.

Pētnieki no (ASV) nolēma noskaidrot, kurā no mācīšanās posmiem nepieciešams runas gēns FOXP2. Eksperimentā normālām pelēm un pelēm ar cilvēka gēnu bija jāatrod ceļš caur labirintu, lai iegūtu kādu gardumu. “Humanizētie” dzīvnieki ātrāk saprata, kurā maršrutā ātrāk tiktu pie barības, tomēr, ja labirints tika organizēts tā, lai mācību posmus varētu nodalīt un novērot atsevišķi vienu no otra, starp pelēm nebija nekādas atšķirības.

Tad radās hipotēze, ka runas gēns palīdz pārslēgties starp dažādām mācīšanās fāzēm. Turpmākie eksperimenti, kas aprakstīti rakstā Proceedings of the National Academy of Sciences, apstiprināja šo pieņēmumu: peles, kas apguva soli pa solim uzdevuma posmu, ātrāk pārgāja uz atkārtošanas mācīšanās fāzi, ja cilvēka FOXP2 tika ievadīts viņu genomā. Efektu varēja redzēt arī šūnu līmenī: striatumā dažādas zonas ir atbildīgas par dažādiem mācīšanās posmiem, un tā, kas bija atbildīga par mācīšanos atkārtojot, pelēm tika aktivizēta efektīvāk ar cilvēka gēnu.

Tas ir, mēs varam teikt, ka gēna cilvēka versija FOXP2(kas, domājams, radās pirms aptuveni 200 tūkstošiem gadu) atklāja mūsu senčiem mācoties atkārtojot - cilvēks varēja ne tikai izrunāt vārdu un saprast tā nozīmi, bet šī vārda reproducēšana kļuva automātiska. Palielinātās komunikācijas iespējas kolektīvā palīdzēja izdzīvot atsevišķiem indivīdiem, tā ka jauna versija gēnam ir evolucionāras priekšrocības. Tomēr maz ticams, ka runas attīstība cilvēkiem notika tikai viena gēna “gribas” dēļ. Acīmredzot šeit ir iesaistīts vesels ģenētiskais tīkls, kurā FOXP2 ir tikai viena no saitēm. Tātad, pirms gada Džona Hopkinsa Universitātes Medicīnas skolas (ASV) pētnieki publicēja rakstu, kurā viņi aprakstīja atkarību no FOXP2 gēns SRPX2, kas kontrolē starpneironu savienojumu dinamiku smadzeņu runas centrā. Jāņem vērā arī tas, ka aprakstītajos eksperimentos ar gēnu FOXP2 tika vērtēta peļu spēja mācīties kopumā, tāpēc, visticamāk, šis gēns cilvēkiem varētu būt saistīts ne tikai ar runas spējām.