人类进化相关的重要特征,例如语言发声和直立行走等,都需要骨骼系统做出显著的适应性改变,包括颅面骨结构和骨质重塑过程。然而,这些形态学特征在人类进化过程中是如何演化出现的,目前还不清楚。临床研究发现一种罕见的表达型语言发育障碍(Developmental verbal dysplasia),主要表现为无法进行流利的口语表达,轻微智力障碍。其致病位点包括FOXP2,FOXP1等转录蛋白。在KE家族发现,FOXP2蛋白R553H位点的一个氨基酸突变会导致这个语言发育障碍。FOXP1,一个FOXP2的同源基因,它的缺失突变也会在临床表现出语言发育障碍,以及不同程度的自闭症等症状。基于动物模型的研究发现,Foxp1、Foxp2可能通过其在神经回路中的功能调控语言和认知功能。Foxp1/2通常形成蛋白二聚体,在调控长骨和肺泡细胞分化等过程中协同作用。有趣的是,从小鼠到灵长类哺乳动物,Foxp2蛋白序列非常保守;但从猿到人却发生了两个氨基酸的变异(T303N,N325S),推测这两个FOXP2的氨基酸变异可能在人类语言的进化上扮演重要作用。那么,FOXP2是否在形成语言和直立行走的相关的骨骼结构过程中起起到一定作用?既然Foxp1/2通常在组织器官发育过程中起协同作用,那么它们是否也在协同调控语言和长骨结构形成?这是本课题要研究的内容。我们通过免疫组化实验,发现Foxp2在软骨细胞和间充质干细胞中都有表达;Foxp2在成骨分化过程中表达水平持续上升。为了进一步研究Foxp2在颅面骨形成和骨重塑中的作用,我们首先利用Col2-Cre在软骨中分别敲除Foxp2和Foxp1基因。我们发现Foxp2基因敲除鼠颅面部缩短,颅底骨部分包括基枕骨,基蝶骨和鼻骨矿化减弱,前蝶骨发育异常,基蝶骨变短,同时咽喉软骨和椎间盘发育出现缺陷。免疫组化显示,蝶骨发育异常可能源自于蝶骨生长板软骨的肥大化及成骨分化延宕。Foxp1基因敲除小鼠的鼻梁骨和前蝶骨也出现类似的发育异常;而且Foxp1/2双敲小鼠的蝶骨,鼻梁骨的发育异常更加明显。分别对Foxp2和Foxp1敲除鼠P10天进行超声实验,发现敲除小鼠的超声声谱都发生了显著异常变化,包括频次减少,频宽缩短等。另外,我们也对模拟人类KE家族(遗传性语言障碍)的Foxp2(R552H)点突变小鼠进行了分析。发现杂合子鼠前蝶骨以及喉骨,都表现出与Col2-Cre介导的Foxp2敲除小鼠类似的发育缺陷。纯合子鼠前蝶骨,喉骨发育缺陷较杂合子更严重。本课题还利用Prx1-Cre在长骨间充质干细胞和颅顶骨中分别敲除Foxp1和Foxp2基因。Foxp2敲除鼠表现出长骨变短,生长板软骨闭合提前,关节软骨发育受损;颅骨的间顶骨愈合延迟;长骨骨量上升;MSC成骨分化和成软骨分化降低等特征。长骨三点弯曲实验结果显示敲除鼠股骨最大载荷增加,但骨刚度下降。Foxp1/2双敲鼠间顶骨愈合缺陷更明显,骨髓MSC成骨分化减弱更加严重。另外Foxp2(R552H)点突变鼠的间顶骨愈合也表现出延迟。除此之外,利用Ctsk-Cre在破骨细胞中敲除Foxp2,发现敲除鼠骨量上升,破骨细胞分化能力降低。在分子机制的研究上,我们发现Foxp2可以通过和Foxp1,Rbpj?形成复合物来抑制Notch信号通路的激活,从而促进MSCs成骨分化,抑制MSCs增值。这可能是Foxp2调控颅底骨和长骨骨重塑过程的部分分子机制。综上所述,Foxp2能够通过对颅底骨,间顶骨以及喉骨的发育调节来完成颅骨的塑形从而为发声提供一个基本的结构基础;Foxp2还能够通过维持生长板软骨,关节软骨和椎间盘软骨的完整性以及对骨重塑的调节来支持直立行走所适应的骨结构进化。因此,Foxp2除了在神经功能上对人类语言和认知功能有重要作用外,Foxp2还提供了语言发声的结构基础,也暗示了语言和直立行走这两个性状之间存在共进化的基础。