Древние варианты в геноме человека определяют современное разнообразие языковых способностей

Язык — одно из самых замечательных когнитивных достижений нашего вида, однако генетические механизмы, обеспечивающие способность говорить и понимать речь, остаются непонятными. Человеческий геном отличается от генома наших ближайших родственников-приматов всего на 1–5%, и, очевидно, именно эти изменения позволили нам развить сложную речь. Исследователи из Университета Айовы (США) и других научных центров продемонстрировали сильную ассоциацию между вариантами в регионах, быстро эволюционирующих у предков человека (HAQER), и способностями к устной речи.

Открытие мутаций в гене транскрипционного фактора FOXP2, вызывающих нарушения речи и языковых навыков, стало первым указанием на существование генетических механизмов, важных для развития речи. Однако вклад FOXP2 в вариации языковых способностей у человека оказался ограниченным. Сейчас с этой точки зрения рассматриваются полигенные модели, включающие множество регуляторных элементов. Однако за десятилетия поисков подобных элементов так и не появились ответы на вопросы о том, какие регионы подвергались изменениям в ходе эволюции речи у человека и как их вариативность влияет на разнообразие языковых способностей современных индивидов.

Сначала авторы провели лонгитюдное исследование языковых навыков у 350 детей, с детского сада до четвертого класса. Навыки оценивались по 17 категориям, и в итоге авторы выделили семь факторов, характеризующих различные аспекты языковой одаренности: способность к повторению услышанных предложений, к их пониманию со слуха (рецептивность), невербальный коэффициент интеллекта (IQ), ранние языковые навыки до обучения чтению и письму, «разговорчивость» (количество предложений, произнесенных при выполнении задания на повествование), способность к пониманию директивного языка (словесных инструкций), и наконец, выполнения заданий на знание лексики и грамматики, «что указывает на широкое, кристаллизованное знание языка». Геномы всех детей были полностью секвенированы, что позволяло выявить не только распространенные, но и редкие генетические варианты, связанные со способностью к языку.

Чтобы определить, когда те или иные варианты были приобретены в ходе эволюции, авторы разработали подход эволюционно-стратифицированной полигенной оценки (evolutionary stratified polygenic score, ES-PGS). Они объясняют свой подход следующим образом. Если языковые подходы развились в определенный период эволюции, то генетические изменения, возникшие в этот период, должны демонстрировать более сильную связь с языковыми способностями современных людей. Таким образом, можно выявить ключевые эволюционные этапы, сравнивая их по обилию таких изменений. Например, если варианты в регионах, отличающие людей современного типа от неандертальцев, будут лучше предсказывать языковые способности, чем варианты в других регионах, это укажет на то, что особую роль в эволюции языка сыграли генетические изменения, произошедшие после нашего с ними разделения.

Авторы применили к своей выборке современных детей полигенную оценку когнитивных способностей (CP-PGS), полученную в исследовании 1,1 млн человек. Эта оценка показала ожидаемые ассоциации, в частности, со способностью к повторению предложений и рецептивностью — двумя ключевыми факторами. После этого с помощью CP-PGS проанализировали различные участки генома человека, начиная от древнейших регионов, консервативных у всех приматов и заканчивая участками, отличающими людей современного типа от неандертальцев. В общей сложности было охвачено около 65 миллионов лет эволюции приматов и человека.

Регионы, консервативные у приматов, ожидаемо не показали связи с языковыми способностями. Наиболее убедительные результаты были получены для регионов, быстро эволюционирующих у предков человека (human ancestor quickly evolved regions, HAQER). Эти участки с повышенной скоростью накапливали мутации после отделения предков человека от предков шимпанзе (примерно 6–8 млн лет назад). Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в регионах HAQER, в среднем оказывают в 188 раз более значимое влияние на языковые способности, чем SNP в других регионах. Подчеркнем, что эволюция HAQER началась до разделения предков человека современного типа и неандертальцев.

Описаны разные типы геномных регионов, в которых происходило ускоренное накопление мутаций после расхождения предков человека и шимпанзе. Помимо HAQER, есть HAR (human accelerated regions), которые практически не перекрываются с HAQER. Если мутации в HAQER привели к появлению уникальных для гоминин энхансеров, то мутации в HAR скорее изменяли активность уже существующих регуляторных элементов. Так вот, для регионов HAR настолько сильной связи с речью не обнаружено. Авторы делают вывод, что способность к языку развивалась за счет «регуляторных инноваций», а не модификаций существующих регуляторных элементов.

Проверка в нескольких независимых когортах обнаружила связь вариантов в регионах HAQER с языковыми, но не с психическими расстройствами, с вербальным IQ, но не с невербальным, а также с различными показателями речевой одаренности. Реверсии («предковые» варианты) в этих регионах были ассоциированы с нарушениями и задержками развития речи, но не с другими нарушениями развития.

Специфичные для гоминин изменения в HAQER, с одной стороны, повышали связывание транскрипционных факторов Homeobox и Forkhead box (включая FOXP2), и эти изменения коррелировали с улучшением языковых способностей. Возможно, варианты в HAQER также влияют на экспрессию FOXP2 в нейронах.

Наконец, авторы исследовали, как действие отбора на эти варианты в последние 20 000 лет модулировало связанную с языком генетическую изменчивость. Для этого использовали крупнейшую коллекцию генотипированных древних геномов человека — Allen Ancient DNA Resource (AADR).

Показатель когнитивных способностей CP-PGS у человека современного типа подвергался положительному отбору. В то же время регионы HAQER демонстрируют признаки балансирующего отбора (сохраняют разнообразие аллельных вариантов). По мнению авторов, это может быть связано с тем, что HAQER влияют не только на пренатальное развитие мозга, благоприятное для языковых способностей, но и на окружность головы при рождении. Увеличенный размер мозга может вызывать осложнения при рождении ребенка («акушерская дилемма» прямоходящего вида с узким тазом и большой головой). «Этот компромисс между когнитивными способностями и повышенным риском осложнений при родах является фундаментальным ограничением, которое, возможно, повлияло на эволюцию человеческого языка», — отмечается в статье.

Примечательно, что варианты HAQER, связанные с языком, были довольно распространенными у неандертальцев (были доступны восемь их геномов) и денисовцев (два генома). Показатели общей CP-PGS были ниже, чем у людей современного типа, но значения CP-PGS, рассчитанные только по участкам HAQER, у них оказались выше, «хотя это требует тщательной интерпретации», подчеркивают авторы.

Интересные результаты показало исследование HAQER-подобных участков в геномах млекопитающих не из отряда приматов, как обучающихся вокализации, так и не обучающихся. У первых HAQER-подобные последовательности были значительно более сходными, что может указывать на конвергентную эволюцию. Авторы обнаружили корреляцию этих последовательностей с размером мозга у разных видов.

Таким образом, HAQER — преимущественно некодирующие регионы, которые быстро эволюционировали еще до разделения человека и неандертальцев и составляют менее 0,1% человеческого генома, — внесли большой вклад в эволюцию речи человека и продолжают влиять на индивидуальные вариации языковых способностей. Их эволюция у гоминин способствовала связыванию факторов транскрипции Forkhead и Homeobox. Не исключено, что изменчивость в этих регионах поддерживал балансирующий отбор, связанный с «акушерской дилеммой», и поэтому языковые варианты оставались стабильными, в то время как варианты, связанные с общими когнитивными способностями, подвергались положительному отбору. Авторы предполагают, что дальнейшие исследования регуляторных сетей HAQER поможет найти новые подходы к лечению нарушений речи.

Распространенность аутизма может быть «побочным эффектом» эволюции мозга у людей