У многих животных есть удивительно развитые формы коммуникации: птицы используют разные сигналы тревоги, чтобы сообщить, насколько опасен хищник, дельфины издают характерные свисты, которые, как считается, похожи на человеческие имена, а шимпанзе, такие как знаменитый Ним Чимпски, могут выучить более сотни слов на языке жестов. Но человеческий язык уникален своей сложностью. Бесконечные сочетания существительных, глаголов и прилагательных позволяют передавать важнейшую информацию о прошлом, настоящем и будущем и способствуют огромному успеху нашего вида. Однако, поскольку сам язык не окаменевает, учёные уже давно пытаются ответить на вопрос, когда и как возникла эта ключевая адаптация.

Теперь детальные исследования геномов различных современных человеческих популяций, а также неандертальцев и денисовцев дают новые сведения о происхождении разговорного языка. В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, нейробиологи Роберт Дарнелл и Эрих Джарвис из Рокфеллеровского университета представили доказательства того, что конкретный вариант гена NOVA1 может быть ключевым фактором в развитии языка. Они определили, что этим вариантом обладает почти каждый человек на Земле, и он уникален для современных людей, отделяя нас как от ныне живущих приматов, так и от наших ближайших, ныне вымерших, родственников. Более того, у мышей, которым был пересажен этот человеческий вариант, наблюдались незначительные изменения в сплайсинге некоторых генов, связанных с речью, а также изменения в ультразвуковых звуках.

«Я был очень воодушевлён [этим исследованием]», — сказал Андреас Пфеннинг, исследователь нейрогеномики из Университета Карнеги — Меллона, который не принимал участия в исследовании. «В области эволюции человеческой речи FOXP2 доминировал на протяжении долгого времени». Ещё в 2002 году исследователи предположили, что FOXP2 играет важную роль в развитии устной речи, поскольку человеческий вариант этого гена не встречается у других ныне живущих приматов, а мутации в этом гене связаны с трудностями в овладении языком у людей. Однако этот ген был исключён из рассмотрения шестнадцать лет спустя, когда более крупные и разнообразные наборы данных о геноме человека не показали, что этот ген подвергался положительному отбору в ходе эволюции. «Очень приятно видеть расширение репертуара молекулярных коррелятов человеческой речи и вокального поведения в целом», — отметил Пфеннинг.

Дарнелл давно увлекался NOVA1, но изначально его интерес не имел ничего общего с языком. Когда Дарнелл был ординатором-неврологом в Медицинском центре Вейла Корнелла в конце 1980-х годов, его заинтересовало редкое заболевание, называемое паранеопластическим неврологическим расстройством, при котором у пациентов с раком внезапно возникали проблемы с равновесием, зрением или памятью. Хотя симптомы явно имели неврологическое происхождение, в мозге пациентов не было рака. Когда Дарнелл и его коллеги проанализировали сыворотку крови человека с этим заболеванием, они обнаружили аутоантитела, специфичные для белков, которые содержатся в некоторых типах опухолей, а также в мозге, вызывая иммунный ответ как против раковых клеток, так и против нейронов. Впоследствии они определили виновника: нейроонкологический вентральный антиген, или NOVA.

В течение следующих десятилетий Дарнелл изучал важнейшие функции этого РНК-связывающего белка, демонстрируя его роль в развитии мозга, синаптической функции и жизнеспособности клеток глиобластомы. Дарнелл был вдохновлён на изучение эволюционной истории NOVA1 отчасти благодаря тому, что в 2012 году генетик из Института Макса Планка Сванте Паабо секвенировал геном денисовского человека, представителя архаичной человеческой расы. Паабо выявил лишь несколько генов, участвующих в развитии мозга, которые были высококонсервативными у других приматов, но отличались у современных людей: NOVA1 был одним из них.

В сотрудничестве с биологом-вычислителем из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор Адамом Сипелом Дарнелл и его команда изучили распространённость этого конкретного варианта NOVA1 с помощью баз данных генома человека. Из более чем 650 000 человеческих последовательностей только в шести не было этого конкретного варианта. «[По сути,] у каждого человека на планете есть этот специфичный для человека вариант, — сказал Дарнелл. — Но его нет ни у денисовцев, ни у неандертальцев, ни у шимпанзе… Наша интерпретация заключается в том, что, когда Homo sapiens появились в Африке — до того, как они мигрировали на север, чтобы заселить Азию и Европу, — произошло множество эволюционных изменений.

Дарнелл сказал, что переход на новый вариант NOVA1, вероятно, произошёл от 40 000 до 200 000 лет назад, изменив регуляцию РНК и потенциально повлияв на развитие человеческого мозга таким образом, что это привело к появлению устной речи.

Чтобы изучить функциональные особенности человеческого NOVA1, исследователи использовали редактирование генов CRISPR, чтобы создать мышей, у которых экспрессировалась уникальная человеческая версия этого белка. Внутри клетки NOVA1 связывается с РНК и регулирует альтернативный сплайсинг — процесс, при котором экзоны одного и того же гена собираются по-разному для получения разных продуктов РНК, что влияет на белки, которые впоследствии транслируются. Исследователи изучили транскрипты, связанные с NOVA1, в мозге мышей дикого типа и гуманизированных мышей и обнаружили, что они очень похожи: в обоих случаях наблюдалось обогащение транскриптов, связанных с функцией синапсов.

Однако, когда они сравнили альтернативные варианты сплайсинга в периакведуктальном сером веществе — области среднего мозга, которая является ключевой частью речевого двигательного пути у млекопитающих, — исследователи обнаружили едва заметные, но потенциально важные различия между двумя группами. Из нескольких генов с альтернативными вариантами сплайсинга четыре были связаны с вокализацией. У людей мутации в этих генах связаны с нарушениями развития нервной системы, потерей слуха и эпилепсией.

Наконец, исследователи захотели выяснить, влияет ли человеческий ген NOVA1 на поведение мышей. Они записали ультразвуковые сигналы тревоги, которые издавали мышиные детёныши, отделённые от своих матерей, и обнаружили едва заметные различия в «словах», которые издавали детёныши, хотя в реакции матерей не было заметных изменений. Дарнелл и его команда также выявили различия в ультразвуковых брачных «песнях», которые издавали взрослые самцы. В совокупности эти данные указывают на то, что специфичный для человека вариант NOVA1 вызывает альтернативный сплайсинг определённых генов, связанных с вокализацией, а также изменяет качество самих вокализаций.

«Что бы я хотел узнать в первую очередь, так это то, как именно [эти результаты] связаны с нейронными цепями, отвечающими за вокализацию и речь, — сказал Пфеннинг. — Есть доказательства на молекулярном уровне, есть доказательства на поведенческом уровне, но они всё ещё не связаны между собой. Пока неясно, как молекулярные различия связаны с различиями в том, как области мозга взаимодействуют друг с другом, что могло бы объяснить различия в поведении».

Автор: Ханна Томаси, доктор философии

Источник: TheScientist.ru