Введение

Ген транскрипционного фактора семейства форкхед-бокс, белок P2 (FOXP2) — это белок, кодируемый геном FOXP2 у человека. FOXP2 является членом семейства форкхед-бокс факторов транскрипции, белков, регулирующих экспрессию генов посредством связывания с ДНК. Он экспрессируется в мозге, сердце, легких и пищеварительной системе. FOXP2 обнаружен у многих позвоночных, где играет важную роль в мимикрии у птиц (например, в пении) и эхолокации у летучих мышей. FOXP2 также необходим для нормального развития речи и языка у человека. У людей мутации в гене FOXP2 вызывают тяжелое нарушение речи и языка – развитие вербальной диспраксии. Исследования гена у мышей и певчих птиц показали, что он необходим для вокального подражания и связанного с ним моторного обучения. Помимо мозга, FOXP2 также участвует в развитии других тканей, таких как легкие и пищеварительная система, и впоследствии получил название "ген языка". Однако для развития человеческого языка необходимы и другие гены, и анализ 2018 года подтвердил отсутствие свидетельств недавнего положительного эволюционного отбора гена FOXP2 у человека.

Структура и функция

Как белок семейства FOX, FOXP2 содержит домен форкхед-бокс. Кроме того, он содержит полиглутаминовый тракт, цинковый палец и лейцинную молнию. Белок связывается с ДНК других белков и контролирует их активность посредством домена форкхед-бокс. Было идентифицировано лишь несколько генов-мишеней, однако исследователи полагают, что ген FOXP2 может регулировать до сотен других генов. Белок FOXP2 активен в мозге и других тканях до и после рождения, и многочисленные исследования показывают, что он имеет первостепенное значение для роста нервных клеток и передачи сигналов между ними. Ген FOXP2 также участвует в синаптической пластичности, что делает его важным для обучения и памяти. FOXP2 необходим для правильного развития мозга и легких. Нокаут-мыши с одной функциональной копией гена FOXP2 демонстрируют значительно сниженную вокализацию в детстве. Нокаут-мыши, у которых отсутствуют функциональные копии FOXP2, отстают в росте, проявляют аномалии в областях мозга, таких как слой Пуркинье, и умирают в среднем через 21 день после рождения из-за неполноценного развития легких. FOXP2 экспрессируется во многих областях мозга, включая базальные ганглии и нижнюю лобную кору, где он необходим для созревания мозга и развития речи и языка. У мышей экспрессия гена в два раза выше у самцов, чем у самок, что коррелирует с почти двукратным увеличением количества вокализаций, издаваемых самцами при разлуке с матерью. Напротив, у детей 4–5 лет экспрессия гена в области Брока на 30% выше у девочек. Исследователи предположили, что ген более активен у "более коммуникабельного пола". Экспрессия FOXP2 подвержена посттранскрипционной регуляции, в частности, микроРНК (miRNA), что приводит к подавлению 3'-нетранслируемой области FOXP2. Три аминокислотные замены отличают человеческий белок FOXP2 от белка, обнаруженного у мышей, в то время как две аминокислотные замены отличают человеческий белок FOXP2 от белка, обнаруженного у шимпанзе, и модели человеческих нейронных клеток показывают, что эти изменения влияют на нейронные функции FOXP2.

Клиническое значение

Ген FOXP2 был связан с рядом когнитивных функций, включая общее развитие мозга, речь и синаптическую пластичность. Область гена FOXP2 функционирует как фактор транскрипции белка P2 forkhead-box. Факторы транскрипции влияют на другие участки генома, и предполагается, что белок forkhead-box P2 также может выступать в качестве фактора транскрипции для сотен генов. Такая широкая вовлеченность открывает возможность того, что роль гена FOXP2 гораздо более значительна, чем считалось ранее. Несмотря на то, что некоторые исследования не подтверждают эту взаимосвязь, большинство данных свидетельствуют о том, что мутация FOXP2 вызывает наблюдаемый дефицит продукции. Существуют данные, указывающие на то, что речевые нарушения, связанные с мутацией гена FOXP2, не являются просто следствием основного дефицита двигательного контроля. Нейровизуализация пациентов с данной мутацией выявляет функциональные аномалии в корковых и базальных ганглиях, связанных с речью, что демонстрирует, что проблемы не ограничиваются двигательной системой. Мутации в FOXP2 входят в число нескольких (26 генов плюс 2 интергенных) локусов, коррелирующих с диагностикой СДВГ у взрослых. Клинический СДВГ – это собирательное обозначение для гетерогенной группы генетических и неврологических явлений, которые могут быть вызваны мутациями FOXP2 или другими факторами. Исследование геномных ассоциаций (GWAS), проведенное в 2020 году, выявило связь между однонуклеотидными полиморфизмами (SNPs) FOXP2 и предрасположенностью к расстройству, связанному с употреблением каннабиса.

Языковые расстройства

Теоретически, транслокация области 7q31.2 гена FOXP2 вызывает серьезное нарушение речи, известное как дислалия (нарушение произношения) развития (DVD). На данный момент этот тип мутации был обнаружен лишь в трех семьях по всему миру, включая оригинальную семью KE. Это одна из основных причин, по которой FOXP2 называют геном речи. У пациентов наблюдается позднее начало речи, трудности с артикуляцией, включая смазанную речь, заикание и нечеткое произношение, а также диспраксия. Также было предложено, что фактор транскрипции FOXP2 является не столько гипотетическим "геном речи", сколько частью регуляторного механизма, связанного с реализацией речи.

Эволюция

Ген FOXP2 высоко консервативен у млекопитающих. У мышей он отличается от человеческого гена тремя заменами, а у зебрового вьюрка – семью аминокислотами. Одно из двух аминокислотных различий между человеком и шимпанзе также возникло независимо у хищных и летучих мышей. Анализ ДНК из костей Homo neanderthalensis показывает, что их ген FOXP2 немного отличается, хотя в основном схож с геном Homo sapiens (то есть людей). Предыдущий генетический анализ предполагал, что ген FOXP2 у H. sapiens закрепился в популяции около 125 000 лет назад. Некоторые исследователи считают, что находки, касающиеся неандертальцев, указывают на то, что ген распространился в популяции более 260 000 лет назад, до последнего общего предка с неандертальцами. Некоторые исследователи предполагают, что положительный отбор играет решающую роль в эволюции языка у человека. SRPX2 и SCN3A. FOXP2 снижает экспрессию CNTNAP2, члена семейства нейрексинов, обнаруженного в нейронах. CNTNAP2 связан с распространенными формами речевых нарушений. FOXP2 также снижает экспрессию SRPX2, "белка X, связанного с повторами суши 2". Он напрямую уменьшает его экспрессию, связываясь с промотором его гена. SRPX2 участвует в формировании глутаматергических синапсов в коре головного мозга и более активно экспрессируется в детстве. SRPX2, по-видимому, специфически увеличивает количество глутаматергических синапсов в мозге, не изменяя при этом ингибирующие ГАМКергические синапсы и не влияя на длину или форму дендритных шипиков. С другой стороны, активность FOXP2 действительно уменьшает длину и форму дендритных шипиков, помимо их количества, что указывает на его другие регуляторные роли в морфологии дендритов.

Шимпанзе

У шимпанзе белок FOXP2 отличается от человеческой версии двумя аминокислотами. В ходе исследования, проведенного в Германии, была секвенирована комплементарная ДНК FOXP2 у шимпанзе и других видов для сравнения с человеческой комплементарной ДНК с целью выявления конкретных изменений в последовательности. Исследователи предположили, что эти исследования могут иметь дальнейшие клинические применения в отношении заболеваний, влияющих на языковые способности человека. Мыши, несущие точечную мутацию R552H, характерную для семьи KE, демонстрируют уменьшение мозжечка и аномальную синаптическую пластичность в стриальных и мозжечковых цепях.

Летучие мыши

FOXP2 играет роль в развитии эхолокации у летучих мышей. В отличие от обезьян и мышей, FOXP2 демонстрирует чрезвычайное разнообразие у летучих мышей, использующих эхолокацию. Подавление экспрессии гена FOXP2 в области X базальных ганглий у певчих птиц приводит к неполному и неточному подражанию пению. Аналогично, у взрослых канареек более высокие уровни FOXP2 также связаны с изменениями в пении. Исследования показали, что уровни FoxP2 меняются в зависимости от социального контекста. Когда птицы исполняли неадресованное пение, наблюдалось снижение экспрессии FoxP2 в области X. Это снижение не наблюдалось, и уровни FoxP2 оставались стабильными у птиц, исполнявших адресованное пение.

История

FOXP2 и его ген были обнаружены в результате исследований английской семьи, известной как семья KE, половина членов которой (15 человек в течение трех поколений) страдала от нарушения речи и языка, называемого дислалией (нарушением произношения) развития. Их случай изучался в Институте детского здоровья Университетского колледжа Лондона. В 1990 году Мирна Гопник, профессор лингвистики Университета Макгилла, сообщила, что у членов семьи KE наблюдались серьезные нарушения речи с невнятной речью, главным образом характеризующиеся грамматическими дефицитами. Она предположила, что причина заключалась не в проблемах с обучением или когнитивными нарушениями, а в генетических факторах, влияющих преимущественно на грамматические способности. (Ее гипотеза привела к популяризации идеи о существовании «гена грамматики» и спорному понятию расстройства, специфичного для грамматики.) В 1995 году исследователи из Оксфордского университета и Института детского здоровья установили, что данное расстройство имеет исключительно генетическую природу. Примечательно, что наследование расстройства от поколения к поколению соответствовало аутосомно-доминантному типу наследования, то есть мутации всего одного гена на аутосоме (не половой хромосоме), проявляющейся в доминантной форме. Это один из немногих известных примеров менделевского (моногенного) наследования для расстройства, влияющего на навыки речи и языка, которые обычно имеют сложную основу, включающую множество генетических факторов риска. В 1998 году генетики Оксфордского университета Саймон Фишер, Энтони Монако, Сесилия С. Л. Лай, Джейн А. Хёрст и Фаране Варга Хадем идентифицировали аутосомно-доминантное моногенное наследование, локализованное в небольшом участке хромосомы 7, на основе анализа ДНК пораженных и здоровых членов семьи. Комитет по номенклатуре генома человека присвоил этому участку официальное название «SPCH1» (от speech and language disorder 1 – расстройство речи и языка 1). Картографирование и секвенирование хромосомного участка были выполнены с использованием бактериальных искусственных хромосомных клонов. Дальнейший скрининг гена выявил несколько дополнительных случаев нарушения FOXP2, включая различные точечные мутации, что свидетельствует о том, что повреждения одной копии этого гена достаточно для нарушения развития речи и языка.