Wikipedia

FOXP2

Forkhead Box Protein P2 (FOXP2) – białko kodowane w komórkach ludzkich poprzez gen FOXP2, znany też jako CAGH44, SPCH1 lub TNRC10, ulokowany u ludzi na długim ramieniu 7. chromosomu w okolicy prążka 7q31.1[1]. Pełni funkcje czynnika transkrypcyjnego i jest niezbędne do prawidłowego rozwoju mowy[2]. Homologi (ortologi) genu wykryto u wielu innych kręgowców, gdzie przeważnie odgrywają istotną rolę w procesie komunikacji (na przykład u ptaków regulują rozwój umiejętności śpiewu)[3].

Struktura białka FOXP2

Pierwotnie opisany jako gen, którego mutacja warunkuje zaburzenia mowy w tzw. rodzinie KE (symbol określający brytyjską rodzinę, w której około połowa członków była obarczona poważnymi zaburzeniami mowy objawiającymi się werbalną dyspraksją i zaburzeniami w mimice; badanie rodziny KE było prowadzone w UCL Great Ormond Street Institute of Child Health w Londynie w 1990 roku)[4]. W trakcie badań określono, że jest to pierwszy ludzki gen, którego defekt wywołuje zaburzenia mowy i jest dziedziczony zgodnie z prawami Mendla[5].

Lokalizacja genu FOXP2 na ludzkim chromosomie 7.

Kontrowersyjna teoria „genu gramatyki” była wspierana przez kanadyjską uczoną Myrne Gopnik. W 1995 roku odkryto, że zaburzenia mowy nie są jedynym skutkiem mutacji genu. Były one powiązane z nieprawidłowościami anatomicznymi (budowa krtani) i intelektualnymi; tym samym obalono teorię Myrny Gopkin. Z neurologicznego punktu widzenia zaobserwowano nieaktywność regionów mózgu kontrolujących złożone ruchy twarzy i ust. Ostateczna identyfikacja genu miała miejsce na Uniwersytecie Oksfordzkim w 2001 roku, gdzie nadano mu nazwę FOXP2[2].

Funkcja edytuj

Białko kodowane genem FOXP2 jest niezbędne do prawidłowego rozwoju mózgu. Myszy z nokautowaną jedną kopią genu FOXP2 cechowały się znacznie obniżonymi zdolnościami wokalnymi[6]. Nokaut obu kopii tego genu powodował śmierć myszy po kilkunastu dniach na skutek braku prawidłowo rozwiniętych płuc i elementów móżdżku[7]. Ekspresja genu FOXP2 była wykrywana w wielu miejscach mózgu[8], szczególnie w zwojach podstawnych i nisko położonych strefach kory czołowej, gdzie jest niezbędna do rozwoju umiejętności mowy[9].

Badania z wykorzystaniem mysich nokautów pozwoliły poglądowo określić rolę genu FOXP2 w rozwoju ssaków. Brak funkcjonalnego tylko jednego genu z pary powodował obniżenie zdolności wydawania spójnych dźwięków, nokaut obu kopii genu powodował poważne problemy rozwojowe mózgu i płuc.

Ekspresja genu FOXP2 jest w szczególności kontrolowana poprzez mikro-RNA (miRNA).

Aspekty kliniczne edytuj

Znanych jest kilka nieprawidłowości związanych z genem FOXP2. Najczęściej występująca (~2% według jednego szacunku) mutacja u ludzi powoduje poważne upośledzenie mowy, opisywane pod nazwą wrodzonej dyspraksji werbalnej. Chorzy mają niewielkie bądź żadne zmiany kognitywne, ale nie są w stanie wykonywać skoordynowanych ruchów twarzy i języka, które są niezbędne do artykułowania prawidłowej wypowiedzi. Zmianę tę wywołuje translokacja 7q31.2 [t (5; 7) (q22; q31.2)]. Uważa się, że zmiany patologiczne występujące u rodziny KE były spowodowane substytucją arginina-histydyna (p.Arg553His) w regionie zajmowanym przez domenę wiążącą DNA. Zmiana taka uniemożliwiła właściwe połączenie produktu genu FOXP2 z elementami genomu podlegającymi dalszej regulacji[10]. Heterozygotyczna substytucja argininy (p.Arg328*) wywołuje przedwczesne wystąpienie kodonu STOP i pojawienie się skróconego białka. Mutacja ta fenotypowo objawiała się u jednego członka rodziny KE poprzez ograniczenia prawidłowości mowy w stopniu niezbyt dużym. Substytucje p.Arg553His i p.Arg328* wpływały również na lokalizację w jądrze komórkowym innych białek i poziom ekspresji genu FOXP2[11][12].

Prowadzono badania mające na celu powiązanie mutacji genu FOXP2 z autyzmem[13][14].

Istnieją dowody sugerujące, że upośledzenie mowy u osób dotkniętych obecnością nieprawidłowego genu FOXP2 nie wynikają jedynie z braku koordynacji ruchowej mięśni twarzy i języka. Pewne upośledzenia mogą dotyczyć trudności w zrozumieniu słów i dźwięków. Badania przy pomocy obrazowaniu mózgu wskazały na nieprawidłowe funkcjonowanie regionów korowych i podstawnych, co wskazuje, że wady te wykraczają poza układ ruchu.

Ewolucja edytuj

Gen FOXP2 u ssaków cechuje się wysoką konserwatywnością[15]. W obrębie gatunku występuje tylko jeden allel tego genu, a stwierdzane niekiedy jego mutacje wydają się być związane z poważnymi chorobami. Allel występujący u szympansów, bonobo, goryli, rezusów i makaków jest ten sam i jest inny niż stwierdzony u zdrowych ludzi[16][17]. Jeszcze inny allel stwierdzono u orangutanów[17]. Ludzki gen wyróżnia się spośród naczelnych dwiema substytucjami: treonina-asparagina (p.Thr303Asn) i asparagina-seryna (p.Asn325Ser). U myszy różni się on od ludzkiego o trzy aminokwasy. Jedna z dwóch substytucji odróżniających gen ludzi od szympansiego pojawiła się też niezależnie u nietoperzy, u których odgrywa znacząca rolę w zdolności echolokacji[18].

Jak się wydaje mutacje genu FOXP2 w linii ewolucyjnej człowieka miały miejsce nie wcześniej niż 4-6 mln lat temu[16], ale nie później niż 400 tys. lat temu, gdyż taki sam allel tego genu stwierdzono u neandertalczyka i denisowianina[19]. Uwzględniając wysoce konserwatywną sekwencję tego genu tempo z jakim rozprzestrzeniły się jego nowe mutacje w populacji ludzkiej wskazują na jego aktywną selekcję na drodze doboru naturalnego lub płciowego[16].

Nietoperze edytuj

Echolokacyjne nietoperze napotykają szczególne trudności dotyczące koordynacji orofacjalnej używając sygnałów wokalnych do odnajdywania drogi i zdobywania pokarmu. Mogą one niezwykle szybko (do 200 razy na sekundę) emitować impulsy dźwiękowe, o zakresie częstotliwości od 11 kHz (Euderma maculatum) do 212 kHz (Cloeotis percivali)[20] i interpretować echo wynikowe[21]. Odbiór "ultradźwiękowych kwantów" w celu orientacji przestrzennej, unikania przeszkód i odnajdywania zdobyczy wymaga złożonego układu słuchowego i orofacjalnego, lub koordynacji narządów oddechowych (w przypadku niektórych gatunków)[22]. Nietoperze stanowią jedną z niewielu grup zwierząt, u których zaobserwowano naukę dźwięków[23].

Najstarsze (ok 52,5 mln lat temu) znane nietoperze występowały w okresie wczesnego eocenu. Wyewoluowały one niezwykle szybko (prawdopodobnie skokowo) z owadożernych, niewielkich, czworonożnych ssaków należących do kladu Laurasiatheria zamieszkujących superkontynent Laurazję.

Nietoperzy ortolog genu FOXP2 charakteryzuje się obecnością dwóch eksonów (7. i 17.) o wysokim stopniu zmienności. Ta zmienność, przewyższająca zmienność genu FOXP2 u innych grup kręgowców, prawdopodobnie odegrała kluczową rolę w szybkiej ewolucji nietoperzy. Jednym z możliwych wyjaśnień takiego zjawiska jest umiejętność uczenia się dźwięków występująca u tych zwierząt[24]. Takie zdolności zaobserwowano także u waleni[25][26], ptaków[27][28], a nawet u słonia afrykańskiego[29].

Echolokacja nietoperzy jest znacznie bardziej skomplikowana niż echolokacja waleni. U tego rzędu ssaków wodnych sygnały sonarowe emitowane są przy użyciu trzech par symetrycznie ułożonych worków powietrznych ulokowanych za szczęką (2 worki podszczękowe, 2 worki przedsionkowe, 2 worki dodatkowe). Sztywna kostna struktura czaszki uniezależnia te zwierzęta od konieczności posiadania złożonej koordynacji orofacjalnej. Impuls dźwiękowy jest kierowany w stronę melona (tkanka tłuszczowa skupiająca falę dźwiękową). Echolokacja waleni nie wykazuje zmian charakteru wydawanego dźwięku w odpowiedzi na impuls zwrotny odbijany od przeszkody/pokarmu[30].

Ptaki edytuj

U ptaków śpiewających FOXP2 prawdopodobnie reguluje procesy związane z neuroplastycznością. W rozwoju przedstawicieli tej grupy występuje krytyczny okres, w którym młode osobniki muszą być wystawione na określone dźwięki w celu ich przyswojenia. Mają one wrodzone predyspozycje do odbierania sygnałów typowych dla swojego gatunku. Te wzorce dźwiękowe przechowywane są w pamięci długotrwałej. Większość gatunków nie potrzebuje wcześniejszej ekspozycji na dźwięki wydawane przez przedstawicieli swojego gatunku by chociaż częściowo śpiewać charakterystyczną dla nich melodię[31].

Modelowym gatunkiem do badania relacji między genem FOXP2 a umiejętnością śpiewu jest zeberka timorska. Analizy struktury białkowego produktu genu wykazały różnicę w 5 aminokwasach między ssaczymi odpowiednikami. Odkrycie te podtrzymuje teorię, że zaawansowane zdolności komunikacyjne wyewoluowały u ssaków i ptaków niezależnie[32]. Wyraźna ekspresję genu FOXP2 zaobserwowano u samców zeberki timorskiej (u gatunku tego jedynie samce są zdolne do nauki śpiewu i wykorzystują ją w trakcie godów) w obszarze X prążkowia. Ciekawa jest obserwacja wzrostu aktywności neuronów regionu X prążkowia w trakcie śpiewu[33] lub gdy badanemu samcowi odtwarzano[34] śpiew przedstawiciela własnego gatunku. Dalsze badania wykazały możliwość dimeryzacji białka FoxP1 z innymi przedstawicielami tej rodziny, w tym z białkiem FoxP2 (produktem genu FOXP2). Taka regulacja może kontrolować funkcjonowanie genu FOXP2 i jego produktu u osobników różnej płci[35]. Wydaje się, że chociaż obecność białka FoxP2 jest niezbędna, to jednak niewystarczająca do wytworzenia umiejętności nauki śpiewu i odpowiedniej reakcji na dźwięk. Prawidłowa relacja białka FoxP2 z innymi czynnikami regulatorowymi umożliwia właściwy rozwój zdolności śpiewu u dorastających osobników.

Koekspresja genów FOXP1, FOXP4 może w niewielkim stopniu niwelować negatywny wpływ wady genu FOXP2 na rozwój płuc i serca, jednak nie umożliwia właściwego rozwoju elementów mózgowia[36].

Nauka śpiewu wyewoluowała u ptaków niezależnie u trzech grup: papug, wróblowych i kolibrów[37].

Przypisy edytuj

  1. ↑ The National Center for Biotechnology Information [online], 19 marca 2018.
  2. ↑ a b CS. Lai, SE. Fisher, JA. Hurst, F. Vargha-Khadem i inni. A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder.. „Nature”. 413 (6855), s. 519-23, Oct 2001. DOI: 10.1038/35097076. PMID: 11586359. 
  3. ↑ DM. Webb, J. Zhang. FoxP2 in song-learning birds and vocal-learning mammals.. „J Hered”. 96 (3). s. 212-6. DOI: 10.1093/jhered/esi025. PMID: 15618302. 
  4. ↑ F. Vargha-Khadem, DG. Gadian, A. Copp, M. Mishkin. FOXP2 and the neuroanatomy of speech and language.. „Nat Rev Neurosci”. 6 (2), s. 131-8, Feb 2005. DOI: 10.1038/nrn1605. PMID: 15685218. 
  5. ↑ R. Nudel, DF. Newbury. FOXP2. „Wiley Interdiscip Rev Cogn Sci”. 4 (5), s. 547-560, Sep 2013. DOI: 10.1002/wcs.1247. PMID: 24765219. PMCID: PMC3992897. 
  6. ↑ Weiguo Shu i inni, Altered ultrasonic vocalization in mice with a disruption in the Foxp2 gene.
  7. ↑ Shu W i inni, Foxp2 and Foxp1 cooperatively regulate lung and esophagus development.
  8. ↑ Wolfgang Enard i inni, Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language.
  9. ↑ Spiteri E i inni, Identification of the transcriptional targets of FOXP2, a gene linked to speech and language, in developing human brain.
  10. ↑ Todd M. Preuss, Human brain evolution: From gene discovery to phenotype discovery.
  11. ↑ Sonja C. Vernes Jérôme Nicod Fanny M. Elahi Julie A. Coventry Niamh Kenny Anne-Marie Coupe Louise E. Bird Kay E. Davies Simon E. Fisher, Functional genetic analysis of mutations implicated in a human speech and language disorder.
  12. ↑ Tanabe Y, Fujita E, Momoi T, FOXP2 promotes the nuclear translocation of POT1, but FOXP2(R553H), mutation related to speech-language disorder, partially prevents it.
  13. ↑ Scherer SW i inni, Human Chromosome 7: DNA Sequence and Biology.
  14. ↑ Newbury DF i inni, FOXP2 is not a major susceptibility gene for autism or specific language impairment.
  15. ↑ Enard W i inni, Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language.
  16. ↑ a b c Nicky Staes i inni, FOXP2 variation in great ape populations offers insight into the evolution of communication skills, „Scientific Reports”, 7, 2017, DOI: 10.1038/s41598-017-16844-x, ISSN 2045-2322, PMID: 29203828, PMCID: PMC5715162 [dostęp 2018-04-03].
  17. ↑ a b Wolfgang Enard i inni, Molecular Evolution of FOXP2, a Gene Involved in Speech and Language, „Nature”, 418, 2002, s. 869–72, DOI: 10.1038/nature01025 [dostęp 2018-04-03].
  18. ↑ Li G i inni, Accelerated FoxP2 Evolution in Echolocating Bats.
  19. ↑ Tomislav Maricic i inni, A Recent Evolutionary Change Affects a Regulatory Element in the Human FOXP2 Gene., „Molecular Biology and Evolution”, 30(4), 2013, s. 844–852, DOI: 10.1093/molbev/mss271.
  20. ↑ Fenton M.B, Bell G.P., Recognition of species of insectivorous bats by their echolocation calls.
  21. ↑ Pollak GD, Casseday JH, The Neural Basis of Echolocation in Bats.
  22. ↑ Moss CF, Sinha SR, Neurobiology of echolocation in bats.
  23. ↑ Boughman JW, Vocal learning by greater spear-nosed bats.
  24. ↑ Jones G, Ransome RD, Echolocation calls of bats are influenced by maternal effects and change over a lifetime.
  25. ↑ Foote AD i inni, Killer whales are capable of vocal learning.
  26. ↑ Mercado E, Herman LM, Pack AA, Song copying by humpback whales: themes and variations.
  27. ↑ Nelson DA, A preference for own-subspecies' song guides vocal learning in a song bird.
  28. ↑ Brenowitz EA, Comparative approaches to the avian song system.
  29. ↑ Poole JH i inni, Elephants are capable of vocal learning.
  30. ↑ Herzing DL, Santos EM, Functional aspects of echolocation in dolphins.
  31. ↑ Patricia K. Kuhl, Human speech and birdsong: Communication and the social brain.
  32. ↑ Ikuko Teramitsu i inni, Parallel FoxP1 and FoxP2 Expression in Songbird and Human Brain Predicts Functional Interaction.
  33. ↑ Jarvis ED, Nottebohm F, Motor-driven gene expression.
  34. ↑ Solis MM, Doupe AJ, Compromised Neural Selectivity for Song in Birds with Impaired Sensorimotor Learning.
  35. ↑ Akutagawa E, Konishi M, A monoclonal antibody specific to a song system nuclear antigen in estrildine finches.
  36. ↑ Ikuko Teramitsu, Stephanie A. White, FoxP2 Regulation during Undirected Singing in Adult Songbirds.
  37. ↑ Manfred Gahr, Neural song control system of hummingbirds: Comparison to swifts, vocal learning (Songbirds) and nonlearning (Suboscines) passerines, and vocal learning (Budgerigars) and nonlearning (Dove, owl, gull, quail, chicken) nonpasserines.
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=FOXP2&oldid=67744585”