Ludzie są jedynymi małpami człekokształtnymi, które rutynowo chodzą na dwóch nogach, a postawa opiera się na długich nogach, krótkich ramionach i wąskich biodrach. Badanie¹opublikowane w tym tygodniu w Nauka, wygenerował mapę regionów genomowych, która może wyjaśnić, w jaki sposób ewoluowała nasza unikalna architektura szkieletowa. Praca wskazuje również na regiony naszego DNA, które narażają nas na ryzyko powszechnej choroby układu kostnego, choroby zwyrodnieniowej stawów.

„Leonardo da Vinci myślał o tym 500 lat temu – jakie są proporcje człowieka” – mówi współautor i genetyk obliczeniowy Vagheesh Narasimhan z University of Texas w Austin.

Paleoantropolodzy wykorzystali zapis kopalny, aby obszernie udokumentować, jak kształt szkieletu homininów — ludzi i ich wymarłych krewnych — stopniowo zmieniał się w ciągu ostatnich kilku milionów lat. Ale genetyczna podstawa tych zmian szkieletowych umknęła naukowcom. „Trudno było uzyskać pomiary szkieletu i DNA na tych samych próbkach dla wystarczająco dużej wielkości próbki, aby przeprowadzić badanie genetyczne” – wyjaśnia Peter Visscher, genetyk ilościowy z University of Queensland w St Lucia w Australii.

Narasimhan i jego współpracownicy zwrócili się do brytyjskiego Biobanku, repozytorium danych genetycznych i zdrowotnych dla pół miliona osób, aby uzyskać zapisy obejmujące zdjęcia rentgenowskie całego ciała. Wykorzystali sztuczną inteligencję (AI) do wyeliminowania obrazów, których nie można było wykorzystać w analizie, takich jak rozmyte zdjęcia i zdjęcia osób z implantami lub amputacjami. Następnie zastosowali kolejne rundy analiz AI, aby wyodrębnić precyzyjne pomiary długości kości z ponad 31 000 zapisów.

Visscher mówi, że artykuł jest „prawdziwym majstersztykiem i sprytnym wykorzystaniem obliczeniowej metodologii głębokiego uczenia się”.

Cechy charakterystyczne chodzenia w pozycji pionowej

Mapa obejmująca cały genom, którą Narasimhan i jego współpracownicy wygenerowali, zidentyfikowała 145 lokalizacji genetycznych związanych ze zmianami w proporcjach szkieletu. Wiadomo, że wiele ze zidentyfikowanych regionów odgrywa rolę w rozwoju szkieletu, a 45 z nich pokrywało się z pojedynczym genem kodującym białko. Spośród nich 32 zostały wcześniej zidentyfikowane jako powodujące nieprawidłowe szkielety po rozerwaniu u myszy, a 4 jako powodujące rzadkie choroby szkieletu u ludzi.

Zespół zbadał szereg proporcji szkieletowych, takich jak szerokość bioder do szerokości ramion, długość przedramienia do wysokości oraz długość tułowia do długości nóg. Proporcje kończyn i tułowia powiązano z odrębnymi regionami genomu, co sugeruje, że ich rozwój jest kontrolowany przez oddzielne programy genetyczne.

Posiadanie dłuższych nóg niż ramion jest cechą charakterystyczną chodzenia w pozycji pionowej, a regiony genomu związane ze zmianami tego stosunku różniły się od podobnych regionów u innych małp człekokształtnych, co jest oznaką, że regiony te podlegały selekcji ewolucyjnej u ludzi. To samo dotyczyło obszarów związanych z wąskimi biodrami w stosunku do ogólnego wzrostu.

Jedna z teorii wyjaśniająca, dlaczego pierwsi hominini wyewoluowali chodzenie w pozycji pionowej, głosi, że ich ciała były w stanie lepiej chłodzić w gorącym otoczeniu. Korzystając z danych z biobanku dotyczących tempa metabolizmu i masy ciała, naukowcy znaleźli poparcie dla tej hipotezy: wraz ze wzrostem długości nóg poprawia się rozpraszanie ciepła w celu zachowania chłodu. „Istnieje korelacja między proporcjami szkieletu a tempem metabolizmu i beztłuszczową masą ciała, co jest zgodne z przewidywaniami teorii” – mówi Narasimhan.

„To naprawdę świetna praca”, mówi genetyk ewolucyjny Yukinori Okada z Uniwersytetu w Osace w Japonii, który przeprowadził badania asocjacji genomowych w poszukiwaniu genetycznych podstaw wzrostu człowieka. Chciałby, aby praca została powtórzona w innych populacjach.

Geny związane z chorobą zwyrodnieniową stawów

Oprócz wglądu w ewolucyjne pochodzenie formy ludzkiego ciała, badanie zidentyfikowało regiony genetyczne związane z chorobą zwyrodnieniową stawów biodrowych i kolanowych – zaburzeniem, które według Narasinhama jest główną przyczyną niepełnosprawności w Stanach Zjednoczonych. Takie podejście polegające na parowaniu obrazowania i danych genetycznych można wykorzystać do poszukiwania genetycznej przyczyny innych schorzeń, takich jak dłuższa jedna noga od drugiej lub zmiany proporcji miednicy w toku ewolucji, mówi.

Bo Xia, badacz genomiki na Uniwersytecie Harvarda w Cambridge w stanie Massachusetts, mówi, że potrzebne są dalsze prace nad identyfikacją odpowiedzialnych za to elementów genetycznych, ale będą one trudne. Mówi, że badania asocjacyjne całego genomu są potężnymi narzędziami do identyfikacji kandydatów do przyszłych badań, ale wskazanie, które geny bezpośrednio wpływają na procesy rozwojowe, nie jest proste, jeśli zmienność genetyczna występuje poza sekwencjami kodującymi geny. „Mutacja regionu niekodującego w pobliżu określonego genu niekoniecznie wskazuje, że wariant wpływa na gen, który jest blisko niego” – mówi.

Zespół Narasimhana podejmuje niezbędne kolejne kroki, używając zmodyfikowanego genetycznie danio pręgowanego (Danio Rerio) w celu zbadania, czy zidentyfikowane geny zmieniają tworzenie szkieletu w organizmie modelowym.