განსხვავება ადამიანსა და შიმპანზეს შორის


მეტყველების განვითარებისთვის აუცილებელი გენები?

წინა სტატიებში განვიხილეთ, რომ ადამიანსა და მის უახლოეს ნათესავს – შიმპანზეს შორის, თვალსაჩინო “ზედაპირული” (სხვაგვარად რომ ვთქვათ, ხილული) მსგავსების გარდა, არსებობს მნიშვნელოვანი მსგავსება მოლეკულურ დონეზეც: დნ მჟავის (გენეტიკური ინფორმაციის შემცველი მოლეკულების) საერთო შემადგენლობით ადამიანი და შიმპანზე 95-98%-ით მსგავსია. თუ მსგავსებას გენების მაკოდირებელი დნმ-ისთვის განვსაზღვრავთ, მაჩვენებელი კიდევ უფრო შთამბეჭდავია – 97-98%. გავიხსენოთ, რომ გენეტიკური ინფორმაცია ჩაწერილია გენებში (დნმ-ში), და ამ ინფორმაციის გამოვლენისთვის საჭიროა ჯერ რნ მჟავაში მისი “გადაწერა”, შემდეგ კი რნმ-იდან ცილაში “გადათარგმნა”. ცილები კი უკვე უშუალოდ მონაწილეობენ იმ პროცესებში, რომლებიც ერთუჯრედიანი ან მრავალუჯრედიანი ორგანიზმის არსებობისთვისაა საჭირო. ეს მონაწილეობა გამოიხატება ბიოქიმიური რეაქციების წარმართვაში, გარემოდან მიღებული სიგნალების გადაცემაში, ახალი უჯრედული და უჯრედსშორისი სტრუქტურების წარმოქმნაში და სხვა.

ორგანიზმების დნმ შეიცავს როგორც გენებს – ცილების მაკოდირებელ ფრაგმენტებს, ისე არამაკოდირებელ მონაკვეთებს, და ამ უკანასკნელთა რაოდენობა დნ მჟავაში საკმაოდ დიდია: ადამიანის უჯრედებში ცილების მაკოდირებელი გენები დნმ-ის საერთო რაოდენობის მხოლოდ 1.5%-ს შეადგენენ; დანარჩენი დნ მჟავა კი შეიცავს: 1) იმგვარი რნ მჟავის მაკოდირებელ გენებს, რომლისგანაც ცილები არ ამოიკითხება (ასეთი რნმ მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ცილის სინთეზის დროს); 2) დნმ-ის რეგულატორული ფრაგმენტები, რომლებიც განსაზღვრავენ, თუ როგორ უნდა იყოს ამოკითხული ინფორმაცია გენებიდან; 3) ინტრონები ანუ მრავალუჯრედიანი ორგანიზმების გენებში არსებული მონაკვეთები, რომლებიც ცილის მაკოდირებელ მონაკვეთებს შორის არიან განლაგებული და ცილის სინთეზის წინ შუალედური რნმ-ის მოლეკულიდან “ამოიჭრებიან”, 4) ე.წ. “უსარგებლო დნმ” (junk DNA), რომლის ფუნქცია ჯერჯერობით უცნობია.
ამრიგად, მსგავსება ადამიანისა და შიმპანზეს გენებს შორის იმდენად დიდია, რომ მათგან მხოლოდ 2-3%-ია განსხვავებული. ადამიანის დნმ შეიცავსდაახლოებით 23 ათას გენს, რომლებშიც ცილების მაკოდირებელი ინფორმაციაა “ჩაწერილი”. მაშასადამე, ჩვენი “ადამიანობის” ახსნა დაახლოებით 450-700 (შესაბამისად, 230×2, 230×3) გენში უნდა ვეძებოთ. ცხადია, რომ ეს ამოცანა სულაც არ არის მარტივი.

სავსებით ლოგიკურია და მოსალოდნელიც, რომ ადამიანსა და შიმპანზეს “განმასხვავებელ” გენებს შორის არსებობენ ისეთებიც, რომელთა ფუნქცია ტვინის განვითარებას და, კერძოდ, მეტყველების უნარს უკავშირდება. ათიოდე წლის წინ მართლაც აღმოაჩინეს ასეთი გენი, რომლის სტრუქტურას, ფუნქციებსა და შესაძლო როლს ადამიანის ევოლუციის პროცესში ამ (და მომდევნო) სტატიაში განვიხილავთ.

FOX გენების ოჯახი. ამ ოჯახის (აგებულებითა და ფუნქციით მსგავსი გენების ერთობლიობა) სამი წარმომადგენელი განსაზღვრავს (აკოდირებს) ცილებს, რომლებიც დიდი რაოდენობით გროვდება ადამიანის ტვინში მისი განვითარების დროს. ამ სამი გენის ექსპრესის (გენიდან, ანუ დნმ-იდან რნმ-ის “გადაწერის” პროცესი) მეტწილად ერთსა და იმავე დროს ხდება, თუმცა ტვინის ზოგიერთ უბანში მათი ექსპრესიის დრო განსხვავებულია. ამ გენებიდან ერთ-ერთი, FOXP2, მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს მეტყველების უნარის ნორმალურ განვითარებაზე.

1990 წელს გამოქვეყნდა კვლევის შედეგები, რომლებშიც აღწერილი იყო ერთი ოჯახის სამი თაობა, რომლის წევრთა ნახევარი მეტყველების მნიშვნელოვანი დარღვევით ხასიათდებოდა. ისიც ცხადი იყო, რომ ამ დარღვევას მემკვიდრეობითი ხასიათი ჰქონდა. იმ გენის აღმოჩენას, რომლის დაზიანება მეტყველების ამგვარ დარღვევას იწვევდა, მრავალი წელი დასჭირდა. ჯერ გაირკვა, რომ ეს გენი მეშვიდე ქრომოსომაზე იყო განლაგებული (ადამიანის 23 ათასი გენი 23 წყვილ სხვადასხვა ქრომოსომაზეა გადანაწილებული). 2001 წელს კი ამ გენის (FOXP2) იდენტიფიცირება – მისი ზუსტი მდებარეობის გარკვევა და ნუკლეოტიდების (გენის შემადგენელი ერთეულების) თანამიმდევრობის განსაზღვრა მოხდა. ისიც ცხადი გახდა, რომ დაავადებული ადამიანების FOXP2 გენში არსებობდა ერთადერთი მუტაცია (ერთ-ერთი ნუკლეოტიდი სხვა ნუკლეოტიდით იყო ჩანაცვლებული). ეს მუტაცია, თავის მხრივ, იწვევდა FOXP2 გენის მიერ კოდირებულ ცილაში ერთ-ერთი ამინომჟავის ცვლილებას. ეს ცვლილება (ცილის შემადგენლობაში 553-ე მდებარეობაში განლაგებული არგინინის ნაცვლად – ჰისტიდინი) მხოლოდ დაავადებულ ადამიანებში გვხვდება, მაგრამ არასდროს არ იჩენს თავს მათ ჯანმრთელ ნათესავებში. რაც არანაკლებ საინტერესოა, ამავე კვლევის შედეგად აღმოჩნდა, რომ FOXP2 გენის ორივე ასლის არსებობა აუცილებელია შესაბამისი ცილის სრულფასოვანი მოქმედებისთვის (გავიხსენოთ, რომ ადამიანის დნმ თითოეული ქრომოსომის – და, მაშასადამე, ყოველი გენის – ორ ასლს შეიცავს; ერთ ასლს დედისგან იღებს, მეორეს კი – მამისაგან): თუ FOXP2 გენის ერთი ასლიც კი შეიცავს ზემოთ აღნიშნულ მუტაციას, მეორე “ჯანმრთელი” ასლის მოქმედება უკვე საკმარისი არ არის ორგანიზმის ნორმალური განვითარების უზრუნველსაყოფად. მსგავსი შედეგები მიღებულია FOX გენების ოჯახის სხვა წარმომადგენლების (FOXC1, FOXC2, FOXE1, FOXL2) მუტაციების შესწავლისას.

ამასთან, გაირკვა, რომ FOXP2 გენის ფუნქციის მოშლა მეტყველების განვითარების მხოლოდ ერთ სახესხვაობასთანაა დაკავშირებული: გენის მუტაციები არ აღმოჩნდა არც მეტყველების სპეციფიკური დაზიანების (specific language impairment, SLI) მქონე ადამიანებში და არც აუტიზმის შემთხვევაში.

ისიც არანაკლებ საინტერესოა, რომ ამ ორ შემთხვევაში მუტაციები ასევე მეშვიდე ქრომოსომაზე მდებარე, თუმცა FOXP2-სგან განსხვავებულ გენებში გროვდებიან.

FOX-გენებში კოდირებული ინფორმაციის ამოკითხვა ტვინის უჯრედებში. როგორც აღმოჩნდა, FOX-გენები არ მიეკუთვნებიან იმ 600 გენის რიცხვს, რომლებიც ადამიანსა და შიმპანზეს შორის განსხვავებას განსაზღვრავს. მეტიც, ეს გენები ასევე არსებობს საფუარში (ერთუჯრედიან სოკოში). 553-ე მდებარეობაში განლაგებული ამინომჟავა არგინინი (რომლის ცვლილება გენის მუტაციას და, ამის გამო, მეტყველების უნარის დაქვეითებას იწვევს) კი კონსერვირებულია, ანუ უცვლელია, მრავალი ორგანიზმის FOX-გენების კოდირებულ ცილებში. და მაინც, ეს გენი ყველაზე ინფორმატული გამოდგა იმ საკითხის კვლევაში, თუ რა გენეტიკური მექანიზმების საფუძველზე ვითარდება ადამიანის ცენტრალური ნერვული სისტემა, კერძოდ, მისი ტვინი.

FOX -გენების ექსპრესია (მათში კოდირებული ინფორმაციის “ამოკითხვა”) და შესაბამისი ცილების დაგროვება სხვადასხვა უჯრედებსა და ქსოვილებში მრავალ სახეობაშია შესწავლილი. ამ სახეობათა შორისაა თევზები, თაგვი, ვირთხა, ფრინველები და პრიმატები, ამ უკანასკნელთა შორის – ადამიანიც. FOXP1, FOXP2 და FOXP4 გენების ექსპრესია ტვინის უჯრედებში ხდება, FOXP3-ისა კი – მხოლოდ იმუნურ სისტემაში. ამასთან, გენების ექსპრესია აღმოჩენილია სხვა ორგანოებშიც, მაგ., ფილტვებში, გულსა და ნაწლავებში.

თაგვების FOXP1-გენის ექსპრესია ხდება ტვინის, გულის, ფილტვებისა და ნაწლავების განვითარების დროს. ის ცხოველები, რომლებსაც FOXP1-გენი არ აქვთ, არასიცოცხლისუნარიანნი არიან და დაბადებამდე, ჩანასახის განვითარების მე-14 დღეს იღუპებიან გულისა და სისხლძარღვების, ისევე როგორც ზურგის ტვინის ნერვული უჯრედების, არასრულფასოვანი განვითარების გამო. FOXP1-გენის როლი ტვინის განვითარების გვიანდელ სტადიებში ჯერაც გაურკვეველია სწორედ ამ გარემოების საფუძველზე (ცხადია, რომ მე-14 დღეს ჩანასახის ტვინის განვითარება ჯერ კიდევ ადრეულ ეტაპზეა). FOXP4-გენი კი აუცილებელია ჩანასახის გულის ნორმალური ფორმირებისთვის: თაგვები, რომლებშიც ამ გენის ფუნქცია დარღვეულია, ჩანასახოვან სტადიაზე იღუპებიან, რადგან მათ ერთის მაგივრად ორი გული უვითარდებათ. ისევე როგორც FOXP1-ის შემთხვევაში, FOXP4-ის როლი ნერვული სისტემის განვითარების პროცესში ძნელი დასადგენია ჩანასახის ადრეული სიკვდილის გამო.

რა კანონზომიერებებია გამოვლენილი FOXP2-გენის ექსპრესიასა და შესაბამისი ცილის დაგროვების კვლევისას? აღმოჩნდა, რომ თაგვის, ვირთხის, პრიმატებისა და ადამიანის ჩანასახების ტვინში ამ გენის ექსპრესია მნიშვნელოვან მსგავსებას ავლენს. FOXP2-გენის ექსპრესია ცენტრალური ნერვული სისტემის შემადგენელ რამდენიმე სტრუქტურაში ხდება, მაგალითად, თავის ტვინის ქერქში, ზოლიან სხეულში (striatum), მხედველობის ბორცვში (thalamus), ნათხემსა და ზურგის ტვინში. ისიც გაირკვა, რომ FOXP2-ის ექსპრესია აქტიურად მიმდინარეობს ჩანასახსა და მოზარდ ორგანიზმებში, მაგრამ მნიშვნელოვნადაა შემცირებული ზრდასრულ ძუძუმწოვართა უჯრედებში. ამ ფაქტის საფუძველზე შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ გენის დაზიანებით გამოწვეული დაავადების (მეტყველებისა და ენის შესწავლის უნარის დაქვეითება) მიზეზია ნერვული სისტემის იმ ნაწილის არასრულყოფილი განვითარება, რომელიც მეტად მნიშვნელოვანია მეტყველების უნარისა და ენის შესწავლისთვის. ისიც ცხადია, რომ ნერვული სისტემის ამ კომპონენტ(ებ)ის განვითარებას მართავენ გენები, რომელთა მოქმედება FOXP2-ზეა დამოკიდებული. ეს ვარაუდი დაავადებული ადამიანების ტვინის გამოსახულების ანალიზითაც დადასტურდა: ტვინის ის ნაწილები (ქერქი, ზოლიანი სხეული, ნათხემი), რომლებშიც ჯანმრთელ ორგანიზმებში FOXP2-გენის ექსპრესია ხდება, მნიშვნელოვნად განსხვავდება ნორმალური სტრუქტურებისგან. ასევე, FOXP2-გენი აშკარად მოქმედებს იმ “წრედების” განვითარებაზე, რომლებიც მეტყველებისთვის აუცილებელ მოძრაობას მართავს: ამ გენის მუტაციის მატარებელ ადამიანებს საუბრის მცდელობისას პირის, ტუჩებისა და ენის მოძრაობის დაქვეითებული უნარი აღენიშნებათ. არანაკლებ საინტერესოა, რომ თაგვებში FOXP2-გენის მუტაცია იწვევს მოძრაობასთან დაკავშირებული უნარების შესწავლის მნიშვნელოვან დაქვეითებას, ისევე როგორც ზოლიანი სხეულისა და ნათხემის არანორმალურ აგებულებას.

Foxp2-ცილის მოქმედების მოლეკულური მექანიზმი. ამ საკითხის შესასწავლად ტარდებოდა ექსპერიმენტები Foxp2-ცილის უჯრედსშიდა განლაგების, სხვა მოლეკულებთან ურთიერთქმედების, და ამ თვისებებზე სხვადასხვა მუტაციების გავლენის გასარკვევად. აღმოჩნდა, რომ ნორმალური Foxp2-ცილა უმთავრესად უჯრედის ბირთვში გროვდება. ლოკალიზაციის (უჯრედსშიდა განლაგების) ეს ტენდენცია დარღვეულია მუტაციების შედეგად: მაგალითად, ზემოთ განხილული მუტაცია, რომლის შედეგად 553-ე მდებარეობაში არსებული ამინომჟავა არგინინი სხვა ამინომჟავით – ჰისტიდინით იცვლება, იწვევს FOXP2-ცილის დაგროვებას არა მარტო ბირთვში, არამედ ციტოპლაზმაშიც. სხვა მუტაციები ამავე გენში ცილას მხოლოდ ციტოპლაზმაში “გზავნიან” ან მის სწრაფ დაშლას განსაზღვრავენ.

Foxp2-ცილის უმნიშვნელოვანესი თვისებაა დნმ-თან ურთიერთქმედება, რაც მისი რეგულატორული თვისებების საფუძველია. დნმ-თან ბმის შედეგად, FOXP2-ს შეუძლია გაააქტიუროს ან, პირიქით, ჩაახშოს არაერთი გენის ექსპრესია – ამ გენებში კოდირებული ინფორმაციის ამოკითხვა: როცა Foxp2-ცილა ებმის გენის იმ ნაწილს, საიდანაც კოდირებული ინფორმაციის ამოკითხვა იწყება (რეგულატორულ მონაკვეთს), ის ურთიერთქმედებს ექსპრესიისთვის აუცილებელ სხვა ფაქტორებთან (სხვა ცილებთან) და მათ მოქმედებას აბრკოლებს ან აჩქარებს. მუტანტური (მუტაციების შემცველი) გენების შემთხვევაში FOXP2-ის ეს ფუნქცია მნიშვნელოვნადაა დაქვეითებული. ამავე მოსაზრებით, გასაგებია, რატომ იწვევს ზოგიერთი მუტაცია ცილის ლოკალიზაციასთან ერთად მისი თვისებების შეცვლას: გენების ექსპრესია ბირთვში ხდება და Foxp2-ცილის ციტოპლაზმაში “გადანაწილება” ამ ცილის ფუნქციას უსარგებლოს ხდის.

ჯერჯერობით FOXP2 ერთადერთი ცნობილი გენია, რომელიც მეტყველებისა და ენის შესწავლის უნარის ნორმალურ განვითარებას განსაზღვრავს. ცხადია, რომ არანაკლებ საინტერესოა ამ გენთან (და მის მიერ კოდირებულ ცილასთან) ურთიერთმოქმედი ფაქტორების (ცილებისა და მათი განმსაზღვრელი გენების) იდენტიფიკაცია. აღმოჩნდა, რომ Foxp2-ცილა ურთიერთქმედებს რეგულატორულ მონაკვეთებთან იმ გენებში, რომლებიც გავლენას ახდენენ უჯრედსშორისი სიგნალების გადაცემაზე, ნერვული უჯრედების მიერ აგზნების გატარებაზე, იონების (დამუხტული ატომების) ტრანსპორტზე, ისევე როგორც ტვინის შემადგენელი ნერვული უჯრედების განლაგების განსაზღვრაზე. ისიც საინტერესოა, რომ Foxp2 ამ გენების უმეტესობის უარყოფითი რეგულატორია (თრგუნავს მათ ექსპრესიას), მხოლოდ მცირე ნაწილის ექსპრესია Foxp2-ის გავლენით ძლიერდება (ანუ ამ შემთხვევებში FOXP2-ს დადებითი რეგულატორის ფუნქცია აქვს). როგორც აღმოჩნდა, Foxp2-ის ფუნქციების ასეთი სხვადასხვაობა განისაზღვრება მასთან ურთიერთმოქმედი ფაქტორებით; მათ შორისაა სხვა FOXP-გენების მიერ კოდირებული ცილები: Foxp1 და Foxp4.

დაბოლოს, ბუნებრივია კითხვა: თუ Foxp2 ასე კონსერვირებულია (მეტად მსგავსია სხვადასხვა ორგანიზმებში), რითი განისაზღვრება მისი მოლეკულური ევოლუცია და დიდი მნიშვნელობა ადამიანის მეტყველების უნარისთვის? ისიც ვნახეთ, რომ ამინომჟავა, რომლის შეცვლა მეტყველებისა და ენის შესწავლის უნარს მნიშვნელოვნად აქვეითებს, ერთნარია მრავალ ორგანიზმში. მაგრამ აშკარაა, რომ რაღაც განსხვავებებიც უნდა არსებობდეს. მართლაც, Foxp2 ცილის სტრუქტურის დეტალური შესწავლის შედეგად აღმოჩნდა, რომ შიმპანზეს, გორილასა და რეზუს-მაკაკს ზუსტად ერთნაირი ცილა აქვთ, რომელიც 15 ამინომჟავისგან შედგება; თაგვის Foxp2 მათგან მხოლოდ ერთი ამინომჟავით განსხვავდება. ადამიანის Foxp2 ცილას კი შიმპანზეს, გორილასა და რეზუს-მაკაკთან შედარებით, ორი განსხვავებული ამინომჟავა აქვს. სხვაგვარად რომ ვთქვათ, ადამიანისა და თაგვის 715 ამინომჟავის შემცველ ცილებს შორის განსხვავება მხოლოდ 3 ამინომჟავაში მდგომარეობს. ეს ფრიად საყურადღებო გარემოებაა: 75 მილიონი წლის განმავლობაში, რაც პრიმატებისა და თაგვის საერთო წინაპრის არსებობის შემდეგ გავიდა, Foxp2-ცილაში მხოლოდ ერთი ამინომჟავა შეიცვალა, ხოლო “სულ რაღაც” 6 მილიონი წლის განმავლობაში, როცა ადამიანისა და შიმპანზეს ევოლუცია ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად ხდებოდა, ადამიანის ცილაში ორი ცვლილება წარმოიქმნა. მეტიც, ერთადერთ ცვლილებას თაგვსა და შიმპანზეს შორის, როგორც აღმოჩნდა, ფუნქციონალური მნიშვნელობა არა აქვს; ადამიანსა და შიმპანზეს შორის განსხვავებული ამინომჟავებიდან ერთ-ერთი კი ცილის ფუნქციისთვის მეტად მნიშვნელოვანია.

ასევე მნიშვნელოვანია საკითხი, ხდებოდა თუ არა FOXP2-გენის ე.წ. “სელექციური წმენდა” (selective sweep). ამ ტერმინით აღიწერება პროცესი, როდესაც გენის მუტაციის შედეგად წარმოქმნილი და ორგანიზმისთვის განსაკუთრებულად მომგებიანი ვარიანტი სწრაფად ვრცელდება პოპულაციაში (ერთი და იგივე სახეობის ინდივიდთა ერთობლიობაში), და ასევე სწრაფად ხდება ამ გენის ალტერნატიული (არამუტირებული, სხვაგვარად მუტირებული, ზოგადად – ნაკლებად მომგებიანი) ვერსიების სიხშირის შემცირება. აღმოჩნდა, რომ ადამიანის გენის შემთხვევაში სწორედ ასე მოხდა. ისიც მნიშვნელოვანია, რომ ამ ორმა მუტაციამ, რომლებითაც ადამიანი შიმპანზესგან – თავისი უახლოესი ნათესავისგან – განსხვავდება, საფუძველი ჩაუყარა მეტყველების უნარის განვითარებას. ასევე სავარაუდოა, რომ ამ მუტაციამ ადამიანს მისცა პირისა და სახის ნაწილების დახვეწილი მოძრაობის უნარი – სწორედ ის უნარი, რომელიც არ გააჩნიათ FOXP2 გენის დაქვეითებული ფუნქციის მქონე ავადმყოფებს. რა მოხდება, თუ ადამიანში FOXP2-ს შიმპანზეს შესაბამისი გენით ჩავანაცვლებთ, ან შიმპანზეში ადამიანის FOXP2-ს “ჩავდგამთ”? ბუნებრივია, რომ პირველი ექსპერიმენტის ჩატარება უაღრესად არაეთიკური იქნება; მეორე ექსპერიმენტის შესაძლებლობას, ისევე როგორც სხვა გენებს, რომლებიც მეტყველებას ან ტვინის მოცულობას განსაზღვრავენ, მომდევნო სტატიაში განვიხილავთ.

ფოტო:1 Foxp2-სა და დნმ-ის ურთიერთქმედების მოდელი.

ფოტო:2 ვFoxp2-ის ევოლუციის მოდელი: წითლად აღნიშნულია ამინომჟავების ცვლილებები, ლურჯად – ნუკლეოტიდების ცვლილებები (რომლებიც ყოველთვის არ იწვევს ამინომჟავების ცვლილებებს). წილადების სახით ნაჩვენებია, თუ რამდენი ნუკლეოტიდის ცვლილების შემთხვევაში მოხდა ამინომჟავის ცვლილებაც (მრიცხველი), და როდის არ მოჰყოლია ასეთ ცვლილებას განსხვავებული ამინომჟავით ჩანაცვლება (მნიშვნელი). მაგ., ადამიანის გენში ორივე ნუკლეოტიდის შეცვლის შედეგი ამინომჟავის ჩანაცვლება იყო (2/0).

Advertisements

კომენტარის დატოვება

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  შეცვლა )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  შეცვლა )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  შეცვლა )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  შეცვლა )

Connecting to %s