Studies on the evolution and function of FoxP2, a gene implicated in human speech and language, using songbirds as a model

Abstract

The FoxP2 gene, which encodes a forkhead box transcription factor is essential for developing the full articulatory power of human language. Mutations of FoxP2 cause a speech and language disorder which compromises the fluent production of words and affects the correct use and comprehension of grammar. FoxP2 patients have structural and functional abnormalities in the striatum of the basal ganglia, which also expresses high levels of FoxP2. But how FoxP2 affects brain function remains unknown. The first part of my thesis addresses this question in songbirds, since learning to speak bears behavioral and neural parallels to how songbirds learn to sing. In zebra finches, FoxP2 expression increases in Area X, a basal ganglia structure necessary for song acquisition, during the time when song learning occurs. In canaries, FoxP2 expression levels in Area X are similarly associated with vocal plasticity. Using lentivirus-mediated RNAi in zebra finches we shown that FoxP2 knockdown in Area X impairs song learning. This suggests that auditory-guided vocal learning in the basal ganglia requires FoxP2. These findings provide the first example of a functional gene analysis in songbirds, a widely studied neuroethological model system. Finally, the fact that FoxP2 is involved in both birdsong and speech suggests that the molecular substrate from which the uniquely human capacity of language evolved might not be exclusive to the hominid lineage. Consistent with this, the FoxP2 protein sequence shows a high degree of conservation among vertebrates. However, human FoxP2 contains changes in amino-acid coding and a pattern of nucleotide polymorphisms which suggests that it has been the target of selection during recent human evolution. This indicates that FoxP2 might have been pivotal for the development of human language. Although language is a uniquely human trait, learned vocalizations are also found in a few other species, among them whales, bats, and most prominently in three orders of birds. Thus, in the second part of my thesis I compared the FoxP2 sequence from 11 bird species covering the 3 orders of vocally learning birds as well as 3 orders in which vocal learning did not evolve and the crocodile, the closest non-avian relative. There was no evidence for an association between specific amino acid substitutions and the capacity for vocal learning. In conclusion, FoxP2 was either not directly involved in the evolution of vocal-learning in birds or selection acted on the large non-coding regions of FoxP2, which were not examined in this study.

Mutationen im FoxP2-Gen führen zu einer Sprech- und Sprachstörung (developmental verbal dyspraxia, DVD), welche vor allem durch gestörte Artikulationsfähigkeit und Probleme mit dem Verständnis und Gebrauch von Grammatik gekennzeichnet ist. Patienten mit DVD zeigen funktionelle und strukturelle Auffälligkeiten im Striatum der Basalganglien. Im Striatum ist FoxP2 auch stark exprimiert, aber wie genau sich die FoxP2 Mutationen auf die Sprachfähigkeit auswirken ist unbekannt. Im ersten Teil meiner Dissertation nähere ich mich dieser Fragestellung durch Experimente in Singvögeln, da zwischen Sprachlernen und Gesangslernen viele neurobiologische und ethologische Parallelen bestehen. Das Expressionsmuster von FoxP2 in Gehirn der Singvögel stimmt mit den bereits beschriebenen Mustern aus der Maus und dem Mensch überein. Darüber hinaus ist in Area X von Zebrafinken, einer für das Gesangslernen essentiellen Struktur, die Expression von FoxP2 während der Gesangslernphase höher als davor und danach. Das Expressionsniveau von FoxP2 korreliert also zeitlich mit der Lernphase. In Kanarienvögeln ist FoxP2 ebenfalls dann besonders stark experimentiert, wenn sich die Vögel in einer plastischen Phase ihres Gesangs befinden. Dies weist auf eine mögliche Funktion von FoxP2 bei der Gesangsplastizität hin. Durch die Verwendung eines lentiviralen Expressionssystems zur Induktion von RNAi im Zebrafinken wird gezeigt, daß die experimentelle Reduktion von FoxP2 das Gesangslernen tatsächlich beeinträchtigt. Das bedeutet, daß FoxP2 notwendig für auditorisch geleitetes, vokales Lernen ist. Diese Ergebnisse liefern das erste Beispiel einer funktionellen Genanalyse in einem Singvogel. Darüber hinaus deutet die Tatsache, daß FoxP2 sowohl notwendig für die Sprache des Menschen als auch den Gesang von Singvögeln ist darauf hin, daß die Ähnlichkeiten zwischen Gesangslernen und Spracherwerb bis auf die molekulare Ebene hinabreichen. Das molekulare Substrat für die Evolution der menschlichen Sprachfähigkeit ist demnach nicht ausschließlich bei den Hominiden zu finden. Im Einklang damit steht, daß die Proteinsequenz von FoxP2 in allen Vertebraten extrem stark konserviert ist. Allerdings wurden beim Menschen Aminosäuresubstitutionen und ein Muster an Sequenzvariationen gefunden, welche darauf schließen lassen, daß FoxP2 in der jüngeren Vergangenheit der menschlichen Evolution unter Selektionsdruck gestanden hat. FoxP2 könnte demnach entscheidend zur Evolution von Sprache beigetragen haben. Zwar ist Sprache dem Menschen vorbehalten, aber einige wenige Arten, darunter Wale, Fledermäuse und drei Ordnungen von Vögeln, sind in der Lage ihre Vokalisation durch Imitation zu erlernen. Im zweiten Teil meiner Dissertation, untersuche ich daher, ob ein Zusammenhang zwischen der Fähigkeit zur erlernten Vokalisation und dem Muster an Aminosäuresubstitutionen im FoxP2-Gen besteht. Hierzu werden die FoxP2-Sequenzen von 11 Vogelspezies, darunter Vertreter aus den drei Ordnungen von Gesangslernern und aus drei nicht-lernenden Vogelordnungen verglichen. Zur besseren phylogenetischen Einordnung wird zusätzlich die FoxP2-Sequenz des Krokodils, dem nächsten Verwandten der Vögel, analysiert. Es zeigen sich jedoch keine Hinweise darauf, daß die Fähigkeit zum Gesangslernen mit einer bestimmten FoxP2-Sequenz einhergeht. Demnach war FoxP2 entweder nicht direkt an der Evolution des Gesangslernens beteiligt, oder aber die Selektion hat auf die nicht-kodierenden Regionen von FoxP2 gewirkt, welche hier nicht untersucht wurden.