《自然》8年破解20万年进化奇迹 转录因子开关

　　

生物通报道，加州大学David Geffen医学院生物化学系，神经遗传学，神经科学系等处的科学家近期破解了人类语言和思维生成之谜，相关成果文章Human-specific transcriptional regulation of CNS development genes by FOXP2发表在最新一期的Nature杂志上，同期Science网站发表了相关的评论报道文章。

 

背景介绍

8年前（2001年），James A. Wohlschlege和 Daniel H. Geschwind等人首次在“KE”家族研究中发现FOXP2基因是控制人类语言运与语法、语义等高级语言功能的关键基因。

 

“KE”家族的一些成员患有遗传性的言语障碍，且有三代在世的家族成员受其害。有一半人在阅读上也都存在障碍，而且，他们在写作上也存在困难：难以组织好句子、拼写词汇、理解和运用语法。该家族存在的语言缺陷使科学家们推断：是他们身体中的某个基因出了问题。

 

进一步的研究显示，该基因为常染色体显性。通过对患病与无病的家族成员的染色体的扫描，研究人员将该基因定位在第7号染色体上。这个基因最初被称为SPCH1。接下来又通过细菌人工染色体手段对该染色体上的相关区域进行了测序。在基因测序开展期间，他们又找到了另一位患有这种先天性言语障碍，但不属于KE家族的病人。对这个新样本的染色体扫描显示，第7对染色体上的FOXP2基因都发生了变异。而且，通过其他实验手段，继续发现：患有FOXP2异常的病人在语言相关的皮层区域也有异常表现，而不局限于脑的运动系统。因此，科学家断定了FOXP2基因不仅与言语运动控制有关，也与语法、语义等更高级的语言功能有关。

 

随后，其他科学家又在会发声的动物体内发现了FOXP2基因。FOXP2基因在许多其它具有复杂发声、及发声学习能力的动物，例如鸣禽中，也有发现。

 

科学家猜测，FOXP2基因与人类语言功能和创造力有。据介绍，FOXP2基因十分保守，经过了20万年的进化，这个基因的才变化了2个氨基酸。

 

近期研究

加州大学科学家们希望能找出进化史上促进人类语言功能发展的分子，他们将人类与大猩猩的FOXP2基因进行比对，发现，只有2个氨基酸不同。正是这2个氨基酸变异的时期，人类掌握语言。

 

然而，关于这两个氨基酸的变异是否对人类神经元有影响，这一问题一直没有被验证。

 

加州大学的科学家们进行体外试验时发现，正是这2个氨基酸的改变影响了一些基因的表达情况。接下来，他们进行人与猩猩的体内试验，通过系统网络分析法发现了一种新的基因表达网络机制。

 

这些数据显示，2个氨基酸的变异改变了FOXP2转录因子对这个基因表达网路系统的调控路径，影响人类中枢神经系统的发育，最终影响人类在语言、语法乃至语义发展上的发育。

 

据介绍，“FOXP2”基因上的变异，明显改变了相关蛋白质的形态，因此，某种程度上使得变异基因赋予人类祖先更高水平的控制嘴和喉咙肌肉的能力，从而使他们能够发出更丰富、更多变的声音。原来是这样，FOXP2基因因此为语言的产生打下了良好的基础。

 

最新文献显示，有些科学家制备了FOXP2转基因小鼠：将人类的FOXP2基因导进小鼠的体内，他们发现，FOXP2转基因小鼠依然能发出超声波的唧叫声，但是唧叫声的“音高”比普通老鼠低。FOXP2转基因小鼠大脑结构发生了变化。在和人类语言功能区类似的白鼠大脑区域内，长出了结构更为复杂的神经细胞。

（生物通 小茜）

生物通推荐原文检索

Human-specific transcriptional regulation of CNS development genes by FOXP2

Genevieve Konopka1,3, Jamee M. Bomar1,3, Kellen Winden1,3, Giovanni Coppola3, Zophonias O. Jonsson5, Fuying Gao3, Sophia Peng3, Todd M. Preuss6, James A. Wohlschlegel5 & Daniel H. Geschwind1,2,3,4

 

Program in Neurogenetics,

Semel Institute and Department of Psychiatry,

Departments of Neurology,

Human Genetics, and,

Biological Chemistry, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, California 90095, USA

Division of Neuroscience and Center for Behavioral Neuroscience, Yerkes National Primate Research Center, and Department of Pathology & Laboratory Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, Georgia 30329, USA

Correspondence to: Genevieve Konopka1,3Daniel H. Geschwind1,2,3,4 Correspondence and requests for materials should be addressed to G.K. (Email: [e-mail]) or D.H.G. (Email: [e-mail]).

 

【Abstract】

The signalling pathways controlling both the evolution and development of language in the human brain remain unknown. So far, the transcription factor FOXP2 (forkhead box P2) is the only gene implicated in Mendelian forms of human speech and language dysfunction1, 2, 3. It has been proposed that the amino acid composition in the human variant of FOXP2 has undergone accelerated evolution, and this two-amino-acid change occurred around the time of language emergence in humans4, 5. However, this remains controversial, and whether the acquisition of these amino acids in human FOXP2 has any functional consequence in human neurons remains untested. Here we demonstrate that these two human-specific amino acids alter FOXP2 function by conferring differential transcriptional regulation in vitro. We extend these observations in vivo to human and chimpanzee brain, and use network analysis to identify novel relationships among the differentially expressed genes. These data provide experimental support for the functional relevance of changes in FOXP2 that occur on the human lineage, highlighting specific pathways with direct consequences for human brain development and disease in the central nervous system (CNS). Because FOXP2 has an important role in speech and language in humans, the identified targets may have a critical function in the development and evolution of language circuitry in humans.