גרסת גנים ספציפית לאדם עשויה להחזיק מפתח להתפתחות השפה

מקורות השפה האנושית נשארים מסתוריים. האם אנו בעלי החיים היחידים באמת מסוגלים לדיבור מורכב? הם הומו ספיינס ההומינידים היחידים שיכולים לתת הוראות מפורטות למקור מים מתוקים רחוקים או לתאר את הסגולים והאדומים הניואנסים של שקיעה דרמטית?

קרובי משפחה קרובים משלנו כמו הניאנדרטלים היו ככל הנראה תכונות אנטומיות בגרון ובאוזניים שיכולות היו לאפשר דיבור ושמיעה של שפה מדוברת, והם חולקים איתנו גרסא של גן הקשור ליכולת הדיבור. ובכל זאת, רק בבני אדם מודרניים אנו מוצאים אזורי מוח מורחבים שהם קריטיים לייצור שפות ולהבנה.

כעת החוקרים מאוניברסיטת רוקפלר חשפו עדויות גנטיות מסקרנות: גרסת חלבון שנמצאה רק בבני אדם שעשויים לסייע בעיצוב הופעתה של שפה מדוברת.

במחקר שפורסם ב תקשורת טבעחוקרים במעבדה של חוקר רוקפלר רוברט ב. דארנל גילו שכאשר הם מציבים את הגרסא האנושית הבלעדית הזו של NOVA1-חלבון מחייב RNA במוח הידוע שהוא מכריע לעכברים להתפתחות עצבית, הוא שינה את הקולות שלהם כפי שקראו להם אחד לשני.

המחקר גם אישר כי הגרסא לא נמצאת בניאנדרטלים או בדניסובנים, בני אדם ארכאיים שאבות אבותינו התפתלו איתם, כפי שמעידים עקבותיהם הגנטיים שנשארים בגנום אנושי רבים כיום.

גן זה הוא חלק משינוי אבולוציוני גורף בבני אדם מודרניים מוקדמים ורמז על מקורות עתיקים פוטנציאליים של שפה מדוברת. NOVA1 יכול להיות גן שפה אנושי בנאמנות, אם כי בהחלט זה רק אחד משינויים גנטיים ספציפיים לאדם. "

רוברט ב. דרנל, ראש המעבדה של נוירו-אונקולוגיה מולקולרית

שלושה עשורים בהתהוות

עיבודים אנטומיים של דרכי הקול ורשתות עצביות מורכבות מאפשרות יכולות השפה שלנו. אבל הגנטיקה שמאחוריהם אינה מובנת היטב.

נהג שפה גנטית תיאורטית אחת הוא FOXP2אשר מקודד עבור גורם שעתוק המעורב בהתפתחות המוח המוקדמת. אנשים עם מוטציות בגן זה מראים ליקויי דיבור חמורים, כולל חוסר היכולת לתאם תנועות שפתיים ופה עם צליל. לבני אדם יש שתי תחליפי חומצות אמינו ב- FOXP2 שאינן נמצאות בפרימטים אחרים או ביונקים אחרים-אך גם הניאנדרטלים היו גם הם, מה שמרמז כי הגרסא קם באב קדמון לשני שושלות אנושיות. אבל כמה ממצאים ב FOXP2 חולקו במחלוקת, ותפקידו בהתפתחות השפה האנושית נותר לא ברור.

עַכשָׁיו NOVA1 התעורר כמועמד. הגן מייצר מפתח חלבון מחייב RNA הספציפי ל- RNA להתפתחות המוח ולבקרה עצבית-שרירית ששיבטו לראשונה ואופיין על ידי דרנל בשנת 1993. הוא נמצא בצורה זהה כמעט על פני שטח רחב של הביוספרה, מיונקים ועד ציפורים-אך לא נמצאים בו בני אדם. במקום זאת, יש לנו צורה ייחודית משלנו המאופיינת בשינוי יחיד של חומצת אמינו, מאיזולוצין לוולין, במצב 197 (I197V) בשרשרת החלבון.

I197V אינו החלפת חומצות אמינו היחידה שמבדילה בין בני אדם מודרניים מאורגניזמים אחרים, מציינת הסופר הראשון יוקו טג'ימה, מקורב לפוסט -דוקטורט במעבדה של דרנל. כמה מהם עשויים להיות אינטגרליים בהתפתחות המוח. "ייתכן ששינויים כאלה מילאו תפקידים חשובים ברכישת מאפיינים שתרמו להופעה, הרחבה והישרדות של הומו ספיינס"היא אומרת.

מומחה באופן בו חלבונים המחייבים RNA מווסתים את ביטוי הגנים, דארנל חוקר את NOVA1 מאז תחילת שנות התשעים, אז הוא ועמיתיו זיהו זאת לראשונה כטריגר של הפרעה אוטואימונית נוירולוגית הנקראת פומה שיכולה לגרום לתפקוד מוטורי קיצוני. לאחרונה הם החלו לזהות מקרים בהם NOVA1 גרסאות גנטיות קשורות לשפה התפתחותית וקשיים מוטוריים.

"הבנת נובה 1 הייתה מאמץ לאורך קריירה עבורי", הוא אומר.

המחקר הנוכחי, בהובלת טג'ימה, השתמש בעריכת גנים של CRISPR כדי להחליף את חלבון NOVA1 הנפוץ שנמצא בעכברים עם הגרסא האנושי I197V. לאחר מכן הם השתמשו בטכניקות מתקדמות כגון ניתוח קישור חיסוני חיסוני (CLIP), שיטה שפותחה על ידי דרנל, כדי לזהות את אתרי הכריכה של RNA של NOVA1 במוח המוח של העכבר.

הגילוי הגדול

התגלית הבולטת הראשונה הייתה כי הגרסא האנושית לא השפיעה על קשירת RNA הקשורה להתפתחות עצבית או שליטה מוטורית. זה פעל בדיוק כמו זה שהחליף.

אז מה זה עשה? הממצא המשמעותי השני נתן להם רמז: אתרים מחייבים שהושפעו באופן מהותי מהגרסה האנושית היו ממוקמים בגנים שקודדו עבור RNA הקשורים לקולציה.

"יתר על כן, רבים מהגנים הקשורים לקולציה אלה נמצאו גם הם יעדים מחייבים של NOVA1, מה שמרמז עוד יותר על מעורבותו של NOVA1 בקולציה", אומר טג'ימה.

"חשבנו, וואוו לא ציפינו לזה, "אומר דארנל." זה היה אחד מאותם רגעים ממש מפתיעים במדע. "

מעבדה של דרנל איחד אז כוחות עם מעבדת הרוקפלר לנוירוגנטיקה של השפה, בראשות אריך ד. ג'רוויס, החוקר את המנגנונים המולקולריים והגנטיים העומדים בבסיס למידה ווקאלית.

תקשורת שונה

במהלך השנים הבאות, משתפי הפעולה בדקו את ההשפעה על הקולות בין עכברים בגילאים שונים בהקשרים שונים. הם מצאו דפוסי קול שונו בקרב שני הגורים של המינים והגברים הבוגרים.

דרנל מציין כי "כל עכברי התינוקות יוצרים חריקות קולי לאמהות שלהם. "גילינו שכאשר" תרגמנו "את החריקות שנעשו על ידי עכברים עם גרסת ה- I197V הספציפית לאדם, הם היו שונים מאלה של העכברים מסוג הבר. חלק מה'מכתבים" השתנו. "

הם מצאו דפוסים דומים כאשר חקרו את שיחות ההזדווגות התקוות של עכברים בוגרים גברים שנחשפו לעכברים בוגרים נשיים באסטרוס. "הם דיברו 'אחרת עם העכברים הנשיים," הוא אומר. "אפשר לדמיין כיצד שינויים כאלה בקולציה עשויים להשפיע עמוק על ההתפתחות."

האלמנט האנושי

ההשפעה הפוטנציאלית של I197V על האבולוציה האנושית הפכה למוקד הבא שלהם. כדי לאשר שזה לא נמצא בקרובי משפחתנו האנושיים הקרובים ביותר-הניאנדרטלים, שחיו ברובם באירופה, ודניסובנים, על שם המערה המרכזית באסיה בה הם התגלו-החוקרים השוו שמונה גנום אנושי עם שלושה ניאנדרטאל מכופף גבוה גנום וגנום דניסובן מכוסה גבוה.

כצפוי, קרובי משפחתנו הארכאיים-שנחשבו לנו שפיצלו לפני כ- 250,000-300,000 שנה–אותו חלבון NOVA1 כמו כל בעלי החיים הלא אנושיים.

לאחר מכן הם סרקו 650,058 גנומים אנושיים מודרניים במסד הנתונים של DBSNP, קטלוג של וריאציות רצף קצרות שנשאבו מאנשים ברחבי העולם. אם קיימת אלטרנטיבה ל- I197V, היא הייתה נמצאת כאן.

מבין אותם 650,058 אנשים, לכולם פרט לשישה היו הגרסא האנושית. לששתם היו הגרסא הארכאית; מכיוון שהדגימות מזוהות, הפרטים עליהם אינם ידועים.

"הנתונים שלנו מראים שאוכלוסיית אבות של בני אדם מודרניים באפריקה פיתחה את הגרסא האנושי I197V, שהפך אז לדומיננטי, אולי מכיוון שהעניקו יתרונות הקשורים לתקשורת ווקאלית", הוא מציע. "אז אוכלוסייה זו עזבה את אפריקה והתפשטה ברחבי העולם."

מחלות והפרעות

בעתיד, המעבדה של דארנל תחקור כיצד NOVA1 מסדיר את התפקוד השפה בעין על שפה או הפרעות התפתחותיות.

"אנו מאמינים כי הבנת סוגיות אלה תספק תובנות חשובות לגבי אופן פעולת המוח במהלך תקשורת ווקאלית-וכיצד הרגולציה השגויה שלו מובילה להפרעות מסוימות", אומר טג'ימה.

מסלולי העצבים שלה עשויים להיכנס לתמונה, למשל, כאשר הפרעות שונות הופכות מישהו שלא ניתן לדבר. אולי זה משפיע על התפתחות אוטיזם לא מילולי; NOVA1 הוא אחד הגנים הרבים הקשורים להפרעת ספקטרום אוטיזם. ובשנת 2023, המעבדה דיווחה על חולה עם חשיבות נובה 1 של NOVA1 שתסמיני הנוירולוגיים כללו עיכוב דיבור.

מוסיף דארנל: "התגלית שלנו עשויה להיות בעלת רלוונטיות קלינית במובנים רבים, החל מהפרעות התפתחותיות למחלות ניווניות."