نقش پروتئین NOVA1 در ارتباطات صوتی
مطابق با تحقیقات صورت گرفته در زمینه تغییرات ژنتیکی که نقش مهمی در تکامل انسانهای امروزی ایفا کردهاند، گروهی از محققان به بررسی دقیق اثرات بیولوژیکی یک تغییر کوچک اما مهم در ساختار یک پروتئین پرداختند. این تغییر، که با عنوان I197V در پروتئین NOVA1 شناخته میشود، یک ویژگی منحصر به فرد در انسانهای مدرن است. برای درک بهتر این تغییر، آنها از موشهایی استفاده کردند که از نظر ژنتیکی دستکاری شده بودند تا این نسخه انسانی از پروتئین NOVA1 را داشته باشند. این موشها با نام Nova1hu/hu شناخته میشوند.
با بررسی دقیق این موشها، محققان توانستند تغییرات مولکولی را در فرآیندی به نام پیرایش متناوب در مغز آنها شناسایی کنند. پیرایش متناوب فرآیندی است که به سلولها اجازه میدهد تا از یک ژن واحد، چندین نوع مختلف پروتئین تولید کنند. این تغییرات در مناطق مختلف مغز رخ داده بود، از جمله مناطقی که نقش کلیدی در رفتارهای صوتی ایفا میکنند. به طور خاص، آنها متوجه تغییراتی در الگوهای صداسازی هم در تولههای موش و هم در موشهای بالغ شدند. این یافتهها نشان میدهد که در طول فرآیند تکامل انسان، تغییر I197V در پروتئین NOVA1 احتمالاً به توسعه سیستمهای عصبی کمک کرده است که مسئول ارتباطات صوتی پیچیدهتر هستند.
اهمیت پروتئین NOVA1 در میان پستانداران بسیار زیاد است. این اهمیت از آنجا مشخص میشود که موشهایی که ژن NOVA1 را به طور کامل از دست دادهاند (موشهای ناک اوت)، معمولاً زنده نمیمانند. همچنین، در انسانها، کمبود حتی یکی از نسخههای ژن NOVA1 (نارسایی هاپلو) میتواند منجر به بروز علائم عصبی شود. این اهمیت با این واقعیت که پروتئین NOVA1 در بین گونههای مختلف پستانداران بسیار شبیه به هم است (حفاظت بالا)، بیشتر تأکید میشود. نکته جالب توجه این است که ژن NOVA1 در انتهای ناحیهای به نام ناحیه ترجمه نشده 3′ (3′ UTR) یک بخش بسیار محافظت شده به نام عنصر فوق محافظت شده (UCE) را در خود جای داده است. علاوه بر این، حفاظت ژنتیکی بالایی در ناحیه قبل از UCE NOVA1 نیز وجود دارد که تا بیشتر ناحیه 3′ UTR و بخش انتهایی ژن که دومینهای KH2 و KH3 پروتئین NOVA1 را کد میکند، امتداد مییابد. این موضوع نشان میدهد که تغییر I197V یک اتفاق بسیار خاص بوده است، زیرا در ناحیهای از ژنوم رخ داده است که معمولاً در طول تکامل تغییرات کمی را تجربه میکند.
مطالعات پیشین نیز محدودیت تکاملی واریانتهای NOVA1، از جمله واریانت I197V (که در برخی مطالعات با نام I200V نیز شناخته میشود) را تأیید کرده بودند. این گروه از محققان با بررسی دادههای ژنتیکی گستردهتری از جمعیتهای انسانی مختلف و با استفاده از روشهای جدید برای تخمین میزان انتخاب طبیعی از نمونههای باستانی، این یافتهها را تأیید و گسترش دادند. نتایج این بررسیهای جدید نشان داد که ژن NOVA1 تحت فشار انتخاب طبیعی قوی قرار داشته است و واریانت I197V بخشی از یک فرآیند انتخاب طبیعی بوده است که منجر به ظهور انسان خردمند شده است.
مشاهده اینکه الل I197V NOVA1 تقریباً در تمام جمعیتهای انسانی یافت میشود، نشان میدهد که این تغییر ژنتیکی در زمانهای بسیار دور و قبل از اینکه گروههای مختلف انسانی از یکدیگر جدا شوند، به وجود آمده و در بین جمعیت گسترش یافته است. تخمین زده میشود که قدیمیترین انشعاب در میان گروههای انسانی مدرن، یعنی جدایی گروه سان، حدود 200 هزار سال پیش رخ داده است. این زمان بسیار قبل از مهاجرت انسانهای مدرن از آفریقا و خاور نزدیک به اوراسیا در حدود 50 هزار سال پیش بوده است. برخلاف تغییرات ژنتیکی که در زمانهای اخیرتر تحت انتخاب طبیعی قرار گرفتهاند، مانند تغییر در ژن LCT که حدود 10 هزار سال قدمت دارد و مختص جمعیتهای خاص است، واریانت NOVA1 بخشی از یک فرآیند انتخاب طبیعی قدیمیتر و گستردهتر است که در بین تمام جمعیتهای انسانی مدرن مشترک است. این فرآیندهای انتخاب طبیعی قدیمیتر ممکن است نشانههای ژنتیکی ظریفتری از خود به جای بگذارند که برای شناسایی آنها نیاز به روشهای جدیدی باشد. این موضوع نشان میدهد که فرآیند انتخاب طبیعی باستانی در مورد ژن NOVA1 ممکن است بخشی از مجموعه وسیعتری از فرآیندهای مشابه باشد که هنوز کشف نشدهاند.
یکی از فرضیههای مطرح شده برای توضیح تغییرات در رفتار صوتی مشاهده شده در موشهای Nova1hu/hu میتواند تغییرات مولکولی در مسیرهای عصبی مربوط به صدا در مغز میانی و ساقه مغز باشد. این مناطق مغزی سطوح بالایی از پروتئین NOVA1 را تولید میکنند و نقش مهمی در تنظیم صداهای ذاتی (USVها) ایفا میکنند، از جمله هماهنگی تنفس، زمانبندی و بلندی صدا. فرضیه دیگر این است که این تغییرات در مناطق قشری مغز که اخیراً در طول تکامل به وجود آمدهاند و مسئول کنترل زیر و بم، تغییر فرکانس و مدت زمان صدا هستند، رخ داده باشد. با توجه به اینکه پروتئین NOVA1 در قشر مغز موش، به ویژه در نورونهای مهاری، بیان میشود، این احتمال وجود دارد که تغییر I197V بر نحوه تنظیم صدا در سطح قشر مغز تأثیر بگذارد.
نکته قابل توجه این است که موشهای Nova1hu/hu در مقایسه با موشهای معمولی، هم در دوره تولگی و هم در بزرگسالی، تغییرات کیفی در ویژگیهای صدا نشان میدهند، اگرچه تعداد کل صداهایی که تولید میکنند تقریباً یکسان است. این یافتهها نشان میدهد که تغییرات در صداسازی موشهای Nova1hu/hu صرفاً ناشی از مشکلات در عملکرد حرکتی کلی آنها نیست. این ایده با مشاهدات دیگری نیز تأیید میشود که نشان میدهد موشهای Nova1hu/hu در تستهای مربوط به عملکرد حرکتی، مانند تست روتارود، عملکردی مشابه موشهای معمولی دارند و میزان فعالیت حرکتی آنها در تست Y-maze نیز قابل مقایسه است. علاوه بر این، نتایج تست Y-maze نشان داد که موشهای Nova1hu/hu حافظه کاری فضایی مشابه موشهای معمولی دارند.
تغییرات در صداسازی موشهای Nova1hu/hu بسته به مرحله رشد و شرایط محیطی متفاوت بود. گزارش شده است که موشهای نر بالغ در طول تعاملات اجتماعی بیشتر از صداهای مافوق صوت با فرکانس بالا استفاده میکنند و موشهای ماده به موشهای نری که صداهای مافوق صوت پیچیدهتری تولید میکنند، جذب میشوند. با توجه به این یافتهها، افزایش نسبت صداهای مافوق صوت با فرکانس بالاتر در تولهها و افزایش پیچیدگی این صداها در بزرگسالان ممکن است مزایای اجتماعی برای موشها به همراه داشته باشد. با این حال، از آنجایی که قدرت تشخیص فرکانسهای صوتی در موشها محدود گزارش شده است و آزمایشهای محققان با استفاده از صداهای مافوق صوت تولههای انسانی شده NOVA1 نشان داد که مادران موشها ترجیح خاصی به این صداها نشان نمیدهند، هنوز مشخص نیست که آیا سایر موشها میتوانند این تغییرات صوتی را تشخیص دهند یا خیر. لازم به ذکر است که محققان نتوانستند تأثیر تغییر I197V بر صداهای موشهای ماده بالغ را بررسی کنند، زیرا مطالعه آنها بر روی نوعی صداسازی متمرکز بود که عمدتاً توسط موشهای نر در طول فرآیند جفتگیری تولید میشود. با این حال، مطالعات اخیر نشان میدهد که موشهای ماده نیز در شرایط آزمایشگاهی یا محیطهای اجتماعی خاص صدا تولید میکنند. تحقیقات آینده برای بررسی اثرات تغییر I197V بر صداهای مافوق صوت در موشهای ماده و همچنین ترجیحات موشهای ماده بالغ به صداهای مافوق صوت موشهای نر بالغ Nova1hu/hu ضروری خواهد بود.
جالب اینجاست که تغییرات صوتی مشاهده شده در موشهای Nova1hu/hu شباهتهایی با تغییرات مشاهده شده در موشهای انسانی شده Foxp2 (که دارای دو تغییر مختص انسان هستند) دارد. در هر دو مورد، تغییرات وابسته به مرحله رشد یا شرایط محیطی بوده و شامل کاهش فرکانس اوج در هجاهای ساده و تغییر در مناطق با فرکانس بالا در هجاهای پیچیده بوده است. در مقابل، موشهای نر با جهش انسانی شده Foxp2 آهنگهای سادهتری با هجاهای “s” بیشتر تولید کردند. این مشاهدات ممکن است نشان دهنده وجود یک تغییر مولکولی مشترک یا مرتبط در مدارهای عصبی دخیل در تولید صداهای مافوق صوت بین موشهای انسانی شده Nova1 و موشهای انسانی شده Foxp2 باشد. تحقیقات آینده باید به شناسایی مبنای مولکولی و عصبی این تغییرات و همچنین اهمیت فیزیولوژیکی این تغییرات صوتی در زمینه رفتار اجتماعی بپردازد.
تجزیه و تحلیل مولکولی محققان نشان داد که توانایی پروتئین NOVA1 برای اتصال به RNA با توالی خاص تحت تأثیر تغییر انسانی قرار نگرفته است و میزان تولید پروتئینهای مختلف در مغز موشهای Nova1hu/hu تقریباً با موشهای معمولی یکسان بود. با این حال، آنها تغییراتی را در نحوه پیرایش RNAهای خاص که با صداسازی مرتبط هستند، مشاهده کردند. الگوی تولید پروتئین NOVA1 در مغز و غنی بودن RNAهای هدف آن در مسیرهای بیولوژیکی خاص، نشان دهنده ارتباط بین عملکرد NOVA1 و رفتار صوتی است. برای درک دقیق مکانیسمهای مولکولی که منجر به تغییرات مشاهده شده در موشهای Nova1hu/hu میشود، نیاز به مطالعه بیشتر در مورد مدارهای عصبی مربوط به صداسازی و همچنین عوامل تنظیمی که بر عملکرد پروتئین NOVA تأثیر میگذارند، وجود دارد. این مطالعه پایه و اساس درک مکانیسمهای مولکولی را فراهم میکند که تکامل ارتباطات صوتی انسان را هدایت کردهاند.
از نظر ساختار شیمیایی، پروتئینهای NOVA دارای سه بخش به نام دومین KH هستند که مسئول اتصال به RNA با توالی خاص میباشند. اسید آمینه 197 در دومین KH2 قرار دارد. اگرچه تغییر I197V در پروتئین NOVA1 ساختار داخلی هیدروفوبیک دومین KH را تغییر میدهد، اما منجر به از دست دادن توانایی اتصال به RNA یا کاهش عملکرد پروتئین نمیشود، که این برخلاف اثرات سایر تغییرات مشابه در دومین KH است. این موضوع با مشاهده عدم تغییر در میزان کلی تولید پروتئینها در مغز موشهای Nova1hu/hu تأیید میشود، در حالی که موشهایی که ژن NOVA1 را به طور کامل از دست دادهاند (و پس از تولد میمیرند)، تغییرات قابل توجهی در میزان تولید ژنهای عصبی کلیدی در مغز میانی در مرحله جنینی E18.5 نشان میدهند. دومینهای KH از سه مارپیچ آلفا (H) و سه صفحه بتا (S) تشکیل شدهاند. مارپیچهای آلفا اول و دوم (H1-H2) مسئول تعیین نوع RNAای هستند که پروتئین به آن متصل میشود و همچنین ممکن است در فرآیند اتصال دو پروتئین به یکدیگر (دیمریزاسیون) نقش داشته باشند. پیشبینیهای مربوط به ساختار پروتئین نشان میدهد که اضافه شدن یک اتم کربن به والین 197 باعث میشود که این اسید آمینه بتواند با چندین اسید آمینه مجاور (185Ile در H1؛ 232Ala، 235Leu، 236Ile، 239Lys در H3) تعامل بیشتری داشته باشد و به دومین KH2 اجازه میدهد تا با H1 و 239Lys در H3 تماس برقرار کند. بنابراین، در حالی که تغییر I197V نوع RNAای را که پروتئین NOVA1 به آن متصل میشود یا میزان این اتصال را تغییر نمیدهد، ممکن است بر فرآیند دیمریزاسیون دومین KH تأثیر بگذارد یا اثرات ناشناختهای بر تعاملات پروتئین-پروتئین داشته باشد. جالب توجه است که اسید آمینه معادل با اسید آمینه 197 در پروتئین NOVA1 در پروتئینهای مرتبط FMR1 و hnRNP E1/E2/K نیز ایزولوسین است، اما در پروتئین NOVA2 در هر دو انسان و موش والین است. تفاوتهای عملکردی بین پروتئینهای NOVA1 و NOVA2 در موشها ممکن است نشان دهنده تفاوتهای ساختاری و عملکردی در دومینهای KH مربوط به آنها باشد.
در مجموع، محققان یک تغییر اسید آمینه واحد را که مختص انسانهای مدرن در پروتئین متصل شونده به RNA، یعنی NOVA1، است، تجزیه و تحلیل کردند و اثرات بیولوژیکی آن را در موجود زنده با وارد کردن این اسید آمینه در موشها بررسی کردند. پروتئین NOVA1 در طول تکامل به جز این تغییر اسید آمینه واحد در انسان، به شدت در برابر تغییرات در توالی اسید آمینه تحمل نشان میدهد. آنها پیشنهاد میکنند که این تغییر بخشی از یک فرآیند انتخاب طبیعی بوده است که با تغییرات خاص در مجموعه RNAهای تولید شده در سلولهای عصبی و ارتباطات صوتی مرتبط بوده است.
منبع: A humanized NOVA1 splicing factor alters mouse vocal communications