Один белок, возможно, помог сформировать устную речь

Происхождение человеческого языка остается загадкой. Являемся ли мы единственными животными, действительно способными к сложной речи? Являются ли Homo sapiens единственными гоминидами, которые могли дать подробные указания к далекому источнику пресной воды или описать нюансы пурпурных и красных оттенков драматического заката?

У наших близких родственников, таких как неандертальцы, вероятно, были анатомические особенности горла и ушей, которые могли позволить говорить и слышать устную речь, и они разделяют с нами вариант гена, связанного со способностью говорить. И все же только у современных людей мы находим расширенные области мозга, которые имеют решающее значение для производства и понимания языка.

Теперь исследователи из Университета Рокфеллера обнаружили интригующие генетические доказательства: вариант белка, обнаруженный только у людей, который, возможно, способствовал возникновению устной речи.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из лаборатории исследователя Рокфеллеровского университета Роберта Б. Дарнелла обнаружили, что, когда они ввели этот исключительно человеческий вариант NOVA1 — РНК-связывающего белка в мозге, который, как известно, имеет решающее значение для развития нервной системы, — мышам, это изменило их вокализации, когда они звали друг друга. 

Исследование также подтвердило, что данный вариант не обнаружен ни у неандертальцев, ни у денисовцев — архаичных людей, с которыми скрещивались наши предки, о чем свидетельствуют их генетические следы, которые сохранились во многих человеческих геномах сегодня.

«Этот ген является частью масштабных эволюционных изменений у ранних современных людей и намекает на потенциальное древнее происхождение разговорного языка», — говорит Дарнелл, глава Лаборатории молекулярной нейроонкологии. «NOVA1 может быть настоящим человеческим «языковым геном», хотя, безусловно, это лишь одно из многих генетических изменений, характерных только для человека».

Анатомические адаптации речевого тракта и сложные нейронные сети обеспечивают наши языковые возможности. Но генетика, стоящая за ними, не до конца понятна.

Один из предполагаемых генетических драйверов языка — FOXP2, который кодирует фактор транскрипции, участвующий в раннем развитии мозга. Люди с мутациями в этом гене демонстрируют серьезные дефекты речи, включая неспособность координировать движения губ и рта со звуком. У людей есть две замены аминокислот в FOXP2, которые не встречаются у других приматов или млекопитающих, но у неандертальцев они тоже были, что предполагает, что этот вариант возник у предка обеих человеческих линий. Но некоторые выводы по FOXP2 были оспорены, и его роль в развитии человеческого языка остается неясной.

Теперь в качестве кандидата появился NOVA1. Ген производит нейрон-специфический РНК-связывающий белок, ключевой для развития мозга и нервно-мышечного контроля, который был впервые клонирован и охарактеризован Дарнеллом в 1993 году. Он обнаружен в практически идентичной форме в широком диапазоне биосферы, от млекопитающих до птиц, но не у людей. Вместо этого у нас есть своя собственная уникальная форма, характеризующаяся одной заменой аминокислоты, с изолейцина на валин, в позиции 197 (I197V) в белковой цепи.

I197V — не единственная аминокислотная замена, которая отличает современных людей от других организмов, отмечает первый автор Йоко Таджима, научный сотрудник лаборатории Дарнелла. Некоторые из них могут быть неотъемлемой частью развития мозга. «Такие изменения могли сыграть важную роль в приобретении характеристик, которые способствовали появлению, расширению и выживанию Homo sapiens », — говорит она. 

Специалист по тому, как связывающие РНК белки модулируют экспрессию генов, Дарнелл изучает NOVA1 с начала 1990-х годов, когда он и его коллеги впервые определили его как триггер неврологического аутоиммунного расстройства, называемого POMA, которое может вызывать экстремальную двигательную дисфункцию. Недавно они начали выявлять случаи, в которых генетические варианты NOVA1 связаны с трудностями развития языка и моторики. 

«Понимание NOVA1 стало для меня делом всей моей карьеры», — говорит он.

Текущее исследование, возглавляемое Таджимой, использовало редактирование гена CRISPR для замены общего белка NOVA1, обнаруженного у мышей, на человеческий вариант I197V. Затем они использовали передовые методы, такие как анализ перекрестной иммунопреципитации (CLIP), метод, разработанный Дарнеллом, для идентификации участков связывания РНК NOVA1 в среднем мозге мышей.

Первым заметным открытием было то, что человеческий вариант не оказал никакого влияния на связывание РНК, связанное с развитием нейронов или контролем моторики. Он действовал точно так же, как и тот, который он заменил.

Так что же он делал? Второе важное открытие дало им подсказку: сайты связывания, которые были существенно затронуты человеческим вариантом, были расположены в генах, которые кодируют РНК, связанные с вокализацией.

«Более того, было обнаружено, что многие из этих генов, связанных с вокализацией, также являются мишенями для связывания NOVA1, что дополнительно указывает на участие NOVA1 в вокализации», — говорит Таджима.

«Мы подумали: «Вау!» Мы этого не ожидали», — говорит Дарнелл. — «Это был один из действительно удивительных моментов в науке».

Затем лаборатория Дарнелла объединила усилия с Лабораторией нейрогенетики языка Рокфеллера , возглавляемой Эрихом Д. Джарвисом , который изучает молекулярные и генетические механизмы, лежащие в основе вокального обучения.

В течение следующих нескольких лет сотрудники исследовали влияние на вокализации среди мышей разного возраста в разных контекстах. Они обнаружили измененные вокальные паттерны как среди детенышей обоих полов, так и среди взрослых самцов.

«Все детеныши мышей издают ультразвуковые писки своим мамам, и исследователи языка классифицируют различные писки как четыре «буквы» — S, D, U и M», — отмечает Дарнелл. «Мы обнаружили, что когда мы «транслитерировали» писки, издаваемые мышами с человеческим вариантом I197V, они отличались от писков мышей дикого типа. Некоторые из «букв» изменились».

Они обнаружили похожие закономерности, когда изучали обнадеживающие брачные крики самцов взрослых мышей, подвергавшихся воздействию самок взрослых мышей в период течки. «Они „говорили“ с самками по-другому», — говорит он. «Можно представить, как такие изменения в вокализации могли оказать глубокое влияние на эволюцию».

Потенциальное влияние I197V на эволюцию человека стало их следующим фокусом. Чтобы подтвердить, что он не был обнаружен у наших ближайших человеческих родственников — неандертальцев, которые в основном жили в Европе, и денисовцев, названных в честь пещеры в Центральной Азии, где они были обнаружены, — исследователи сравнили восемь человеческих геномов с тремя высокопокрытыми геномами неандертальцев и одним высокопокрытым геномом денисовцев.

Как и ожидалось, наши архаичные родственники, от которых мы, как считается, отделились примерно 250 000–300 000 лет назад, имели тот же белок NOVA1, что и все нечеловеческие животные. 

Затем они прочесали 650 058 современных человеческих геномов в базе данных dbSNP, каталоге коротких вариаций последовательностей, взятых у людей по всему миру. Если бы существовала альтернатива I197V, она была бы найдена здесь.

Из этих 650 058 человек все, кроме шести, имели человеческий вариант. У этих шести был архаичный вариант; поскольку образцы деидентифицированы, подробности о них неизвестны.

«Наши данные показывают, что предковая популяция современных людей в Африке развила человеческий вариант I197V, который затем стал доминирующим, возможно, потому, что он давал преимущества, связанные с голосовой коммуникацией», — предполагает он. «Затем эта популяция покинула Африку и распространилась по всему миру».

В будущем лаборатория Дарнелла будет изучать, как NOVA1 регулирует языковую функцию, уделяя особое внимание нарушениям речи и развития.

«Мы считаем, что понимание этих вопросов позволит лучше понять, как работает мозг во время голосовой коммуникации и как его неправильная регуляция приводит к определенным расстройствам», — говорит Таджима.

Его нейронные пути могут вступать в игру, например, когда различные расстройства делают человека неспособным говорить. Возможно, он влияет на развитие невербального аутизма; NOVA1 — один из многих генов, связанных с расстройством аутистического спектра. А в 2023 году лаборатория сообщила о пациенте с гаплонедостаточностью NOVA1, неврологические симптомы которого включали задержку речи.

Дарнелл добавляет: «Наше открытие может иметь клиническое значение во многих отношениях: от нарушений развития до нейродегенеративных заболеваний».