Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


Р. Фишман
Клеточный автомат: возможна ли автоматическая жизнь?


Т. Пичугина
Как увидеть тень черной дыры


Интервью с В. Сурдиным
Полет на Луну — это командировка на неделю


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной







Главная / Новости науки версия для печати

«Ген речи» FOXP2 оказался регулятором высокого уровня


Культура предшественников нервных клеток человека послужила основой для исследования функций гена FOXP2. Фото с сайта louisville.edu
Культура предшественников нервных клеток человека послужила основой для исследования функций гена FOXP2. Фото с сайта louisville.edu

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

Среди генов, отличающих человека от других приматов, особая роль отводится гену FOXP2 (см. обзорную статью Будут ли расшифрованы генетические основы разума?, «Элементы», 09.10.2006). Этот знаменитый ген, согласно классическим представлениям, отвечает за человеческую речь. То есть за ту особенную черту, которая присуща исключительно человеку. У млекопитающих этот ген весьма консервативен, например ген FOXP2 мыши отличается от обезьяньего аналога всего одной аминокислотной заменой. А человеческая версия гена FOXP2 отличается от аналогичного гена шимпанзе двумя аминокислотными заменами. Это подразумевает быструю эволюцию гена FOXP2 в человеческой линии. Предполагается, что движущий отбор действовал в направлении совершенствования функции именно этого гена, и в результате человек приобрел способность к членораздельной речи. Поэтому легко понять, насколько пристальное внимание ученые уделяют исследованию этого гена.

Предшествующие работы выявили ряд заболеваний, которые вызываются мутациями гена FOXP2; эти заболевания проявляются в дефектах речи и строения черепно-лицевого отдела, в умственной неполноценности. Отсюда можно заключить, что ген FOXP2 связан с речью. Примечательное исследование функций FOXP2 было проведено Вольфгангом Энардом (Wolfgang Enard) с коллегами в Институте Макса Планка (Лейпциг, Германия). Немецкие ученые вывели трансгенных мышей, несущих человеческий FOXP2. Трансгенные мыши выросли вполне здоровыми, хотя некоторыми чертами отличались от нормальных мышей. В числе основных отличий авторы исследования назвали удлинение дендритов и увеличение синаптической пластичности в базальных ядрах, или ганглиях мозга, снижение уровня дофамина, снижение исследовательской активности и понижение тембра голоса.

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

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

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

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

Схема регуляции генов, связанных с FOXP2, которые демонстрируют различный уровень экспрессии в присутствии человеческого и шимпанзиного FOXP2. Красные линии показывают положительные связи (активаторы), голубые — отрицательные (ингибиторы). Схема из обсуждаемой статьи в Nature
Схема регуляции генов, связанных с FOXP2, которые демонстрируют различный уровень экспрессии в присутствии человеческого и шимпанзиного FOXP2. Красные линии показывают положительные связи (активаторы), голубые — отрицательные (ингибиторы). Схема из обсуждаемой статьи в Nature

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

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

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

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

Источник: Genevieve Konopka, Jamee M. Bomar, Kellen Winden, Giovanni Coppola, Zophonias O. Jonsson, Fuying Gao, Sophia Peng, Todd M. Preuss, James A. Wohlschlegel, Daniel H. Geschwind. Human-specific transcriptional regulation of CNS development genes by FOXP2 // Nature. 2009. V. 462. P. 213–217.

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

Елена Наймарк


Комментарии (8)



Последние новости: ГенетикаЕлена Наймарк

11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
6.07
Метанокисляющие микроорганизмы донных осадков оказались неожиданно разнообразными
22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия