Одно белковое изменение, приводящее к языковому хаосу

Одно изменение аминокислоты в белке может лежать в основе человеческого языка
Ученые раскрыли увлекательный кусочек головоломки, связанной с происхождением человеческого языка, предполагая, что вариант белка, обнаруженный только у современных людей, мог сыграть роль в развитии нашей способности говорить. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, исследователи обнаружили, что замена одного строительного блока в белке NOVA1 на его человеческую версию изменила вокальные звуки, которые издают мыши. Стоит отметить, что этот человеческий вариант отсутствует у неандертальцев и денисовцев — наших ближайших вымерших человеческих родственников.
"Этот ген является частью масштабного эволюционного изменения у ранних современных людей и намекает на потенциальные древние корни устной речи", — сказал Роберт Б. Дарнелл, руководитель Лаборатории молекулярной нейроонкологии в Университете Рокфеллера и старший автор исследования. "NOVA1 может быть подлинным 'языковым геном' человека, хотя это, безусловно, лишь одно из многих изменений, специфичных для человека."
Происхождение человеческого языка остается одной из самых сохранившихся загадок в науке. Хотя наша способность к сложной коммуникации явно выделяет нас, конкретные генетические и биологические механизмы, которые позволили этой способности развиться, все еще в значительной мере неизвестны. Мы знаем, что наши близкие родственники, например, неандертальцы, обладали некоторыми чертами, которые могли позволить им говорить. Их анатомия горла и уха, например, кажется, могла производить и воспринимать звуки речи. Они также разделяли с нами версию гена, связанного с речевыми способностями. Тем не менее, современные люди уникальны в том, что имеют увеличенные области мозга, которые абсолютно необходимы как для производства, так и для понимания языка.
Чтобы изучить генетические основы устной речи, исследователи Университета Рокфеллера сосредоточились на белке NOVA1, который известен своей важностью для развития мозга. Их заинтересовал тот факт, что у людей есть немного отличающаяся версия этого белка по сравнению с другими животными, включая наших ближайших вымерших родственников. Исследовательская группа выдвинула гипотезу, что это изменение NOVA1, специфичное для человека, может быть связано с развитием устной речи у нашего вида.
Чтобы определить, может ли одно изменение в NOVA1 способствовать нашим уникальным языковым способностям, ученые использовали технику редактирования генов для создания линии мышей, которые содержат человеческую форму NOVA1. У большинства млекопитающих и древних людей NOVA1 содержит специфический строительный блок, известный как изолейцин, на позиции 197. У современных людей, однако, этот строительный блок заменен валином — очень похожей молекулой, но она кажется уникальной для нашего вида.
Исследователи заменили мышиную версию NOVA1 на человеческий вариант, инъецируя инструменты редактирования в оплодотворенные яйцеклетки мышей. Они подтвердили, что было сделано только желаемое изменение и что никаких непреднамеренных мутаций не произошло. Получившиеся мыши нормально выросли, показали типичное развитие мозга и были здоровыми и плодовитыми, что сделало их идеальной моделью для исследования влияния человеческого варианта.
После того как мыши с человеческой версией были выведены, исследовательская группа приступила к исследованию, повлиял ли изменение в белке NOVA1 на поведение животных, особенно на звуки, которые они издают. Молодые мыши, разделенные с матерями, издают ультразвуковые сигналы, которые помогают привлечь внимание, а самцы взрослых мышей производят вокализации в период ухаживания. Ученые записывали эти звуки с помощью специализированных микрофонов и анализировали их с помощью компьютерных программ, которые измеряли такие характеристики, как высота, длительность и сложность.
В дополнение к поведенческим тестам, команда рассмотрела мозги мышей, чтобы определить, повлияло ли изменение белка на обработку генетической информации. Они использовали несколько лабораторных техник для определения областей, где NOVA1 связывается с другими молекулами в мозге, и для оценки того, как это изменение повлияло на сплайсинг — т.е. вырезание и соединение — определенных генов во время производства сигнальных молекул. Проще говоря, исследователи изучили, вызвало ли изменение, специфичное для человека, в NOVA1 различия в паттернах РНК-сообщений, которые управляют функцией мозга, особенно сообщения, связанные с производством звука.
Исследование показало, что изменение, специфичное для человека, в NOVA1 не нарушает общую способность белка связываться с его РНК-партнерами или влияет на общее развитие мозга. И у людей, и у нормальных мышат были схожие уровни NOVA1 в мозгах, и большинство генов экспрессировались на схожих уровнях.
Тем не менее, более внимательный взгляд на детали выявил важные различия в том, как обрабатывались некоторые гены. У «человеческих» мышей наблюдались несколько изменений в паттернах сплайсинга генов — особенно тех, что известны своим участием в нейронных цепях для вокализации. Другими словами, в то время как основная функция NOVA1 оставалась неизменной, человеческая версия, похоже, уточняла РНК-сообщения в областях мозга, которые помогают контролировать производство звука.
Поведенческие тесты вокализаций мышей еще более подтвердили эти выводы. Когда изолированные детеныши из группы с человеческой версией производили вызовы с другим паттерном по сравнению с контролем. Хотя общее количество вызовов было схожим, детали звуков — такие как высота и "форма" вызовов — были заметно изменены.
"Все детеныши мышей издают ультразвуковые писки своим мамам, и исследователи языка классифицируют разные писки как четыре 'буквы' — S, D, U и M," — отметил Дарнелл. "Мы обнаружили, что, когда мы 'транслитерировали' писки мышей с человеческим специфическим I197V вариантом, они отличались от писков диких мышей. Некоторые из 'букв' изменились."
В одном тесте исследователи классифицировали вызовы мышей на разные типы на основе изменений в высоте. Они обнаружили, что вызовы детенышей, несущих человеческую форму NOVA1, продемонстрировали смещение к более высокой частоте в некоторых типах вызовов. Взрослые самцы мышей, будучи в присутствии самок в эструсе, также производили вокализации, отличающиеся мелкими изменениями — например, некоторые простые типы вызовов были немного длиннее и имели более низкие начальные и конечные высоты.
"Они 'разговаривали' по-другому с самками мышей," — сказал Дарнелл. "Можно представить, как такие изменения в вокализации могли глубоким образом воздействовать на эволюцию."
Кроме того, более сложные звуки, в которых звучала разнообразная модуляция высоты, показывали большее различие в частотах. Эти различия предполагают, что человеческая версия NOVA1 может влиять на вокальные паттерны таким образом, что это может быть связано с эволюцией более утонченного устного языка.
Исследователи также изучили, может ли одно изменение в NOVA1 быть связано с более широкой картиной человеческой эволюции. Они сравнили генетические данные современных людей, неандертальцев и денисовцев. Их анализ подтвердил, что изменение от изолейцина к валину на позиции 197 встречается только у современных людей. В обширном обзоре более 650 000 геномов человека практически у всех индивидов была обнаружена человеческая версия NOVA1. Немногие исключения имели предковую версию, что предполагает, что человеческое изменение быстро распространилось среди древних популяций, возможно, потому что оно обеспечивало преимущество в вокальной коммуникации.
"Наши данные показывают, что предковая популяция современных людей в Африке развивала человеческий вариант I197V, который затем стал доминирующим, возможно, потому что он даровал преимущества, связанные с вокальной коммуникацией," — сказал Дарнелл. "Эта популяция покинула Африку и распространилась по всему миру."
Хотя исследование представляет захватывающие доказательства того, что одно изменение белка могло способствовать нашим уникальным языковым способностям, исследователи осторожны в интерпретации своих находок. Работа была проведена на мышах, и хотя мыши производят звуки, которые можно в широком смысле сравнить с человеческими вокализациями, сложность человеческой речи гораздо больше. Остается выяснить, как измененная обработка РНК, наблюдаемая у мышей, переведется в богатую и разнообразную речь нашего вида. Эксперименты были разработаны для изучения немедленного влияния человеческого изменения на вокальное поведение и RNA-паттерны в мозге, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как эти молекулярные эффекты связываются с высокоуровневыми функциями языка и коммуникации.
Команда планирует расширить свою работу, исследуя, как человеческая версия NOVA1 может взаимодействовать с другими белками и влиять на нейронные цепи в областях мозга, связанных с речью и коммуникацией. Им также интересно узнать, происходят ли подобные генетические изменения в других белках, которые регламентируют развитие мозга и поведение, а также исследовать потенциальную роль NOVA1 в человеческих состояниях, которые влияют на речь и язык, таких как задержки в развитии или некоторые нейроразвивающиеся расстройства.
Исследование "Гуманизированный сплайсинговый фактор NOVA1 изменяет вокальные коммуникации мышей" было написано Ёко Тадзимой, Сезаром Д. М. Варгасом, Кэичи Ито, Вэй Ваном, Джи-Дуном Ло, Цзяуэй Син, Нурданом Куру, Луизом Карлосом Мачадо, Адамом Сипелом, Томасом С. Кэрроллом, Эрихом Д. Ярвисом и Робертом Б. Дарнеллом.