Человеческое колено – торжество дизайна. Сустав, который довольно быстро развился от нашего общего предка с шимпанзе, чтобы приспособиться к нашему двуногому движению, вероятно, способствовал нашему успеху как вида. Однако, поскольку современная медицина увеличивает продолжительность жизни человека, наш вид узнал боль в форме остеоартрита, который может сопровождать движение этого биомеханического шедевра.
В новом исследовании генетических особенностей, которые помогают сделать этот сложный сустав возможным, международная группа исследователей обнаружила, что регуляторные переключатели, участвующие в развитии коленного сустава, также играют роль в остеоартрите, частично наследуемом заболевании, которым страдают не менее 250 миллионов человек. люди во всем мире. Результаты опубликованы в журнале Cell.
Теренс Д. Капеллини, Ричард Б. Вольф, доцент кафедры эволюционной биологии человека и автор статьи, объяснил это с точки зрения нагрузки, которую буквально несут наши колени:
"С эволюционной точки зрения, колено приматов превратилось из чего-то, что могло бы приспособить силы ходьбы на четырех ногах, к переносу всего веса на две ноги," он сказал. "Переход от четвероногого к двуногому изменяет распределение силы. Весь наш вес передается через бедра и колени до лодыжек. Ячейки в суставе и форма сустава должны были измениться, чтобы приспособиться к этим новым силам."
С такой специфической задачей – и ограниченной своим происхождением от колена более старых приматов – оптимизированное двуногое колено развило так называемую ограниченную морфологию, то есть не допускало больших вариаций. "Как вы понимаете, когда вы разрабатываете деталь для самолета, вы не хотите слишком сильно сбиваться с пути," Капеллини сказал.
Чтобы понять, как возник этот сложный механизм, исследователи искали доказательства ускоренного естественного отбора: серию мутаций, которые помогли нам ходить прямо.
"Мы хотели знать, видим ли мы признаки древней эволюции – древнего отбора – в тех областях генома, которые формируют именно колено," сказал Капеллини. Для этого они искали следы определенных регуляторных переключателей, кусочков ДНК "отвечает за включение и выключение генетического материала, который делает колено человеческим коленом."
То, что они обнаружили, отражает то, что предлагает Капеллини "положительный отбор"- свидетельство того, что это новое колено дало молодым двуногим эволюционное преимущество. Были бы выбраны наиболее функциональные колени, уменьшающие вариации формы колена с течением времени за счет уменьшения генетических вариаций в переключателях, которые контролируют формирование сустава. Какая вариация сохранялась, вероятно, в то время не имело большого значения.
"Позже, по мере того, как человеческие популяции расширяются и дрейфуют, вы начинаете получать эти генетические варианты, которые немного изменяют форму колена или то, как оно поддерживается," объяснил Дэниел Ричард, доктор философии.D. кандидат эволюционной биологии человека и ведущий автор статьи. "Эти небольшие отклонения, воздействующие на это скованное колено, приводят к риску развития остеоартрита."
Эти черты не повлияли на успех двуногого колена, потому что естественный отбор развивает черты, которые позволяют людям достигать половой зрелости и успешно размножаться. По сути, поскольку это новое колено давало молодым людям преимущество в передаче своего генетического материала, оно продолжалось, несмотря на эти варианты. Наша возможная старость не сыграла особой роли в ее выборе.
"Мы думаем, что эти небольшие изменения не так сильно влияют на раннюю жизнь," сказал Ричард. "Но когда вы продолжаете ходить, пока вам не исполнится 50 или 60, за этот более длительный промежуток времени в состав ваших коленных суставов за десятилетия будут очень небольшие изменения. В конечном итоге это способствует развитию остеоартроза у пожилых людей."
В качестве доказательства принципа Капеллини и его коллеги провели два дополнительных эксперимента. Изучая переключатели коленного сустава у пациентов с остеоартритом по сравнению с общей популяцией, они обнаружили, что пациенты с остеоартритом в среднем имеют больше генетических вариантов переключателей, чем те, у кого нет этого заболевания. Они также сосредоточились на гене под названием GDF5 (фактор дифференцировки роста пятый), который способствует риску остеоартрита у европейцев и азиатов. Используя редактирование CRISPR в клетках мышей и людей, они выявили генетический вариант, присутствующий у миллиардов людей, который влияет на функцию ключевого переключателя колена, тем самым изменяя форму колена и увеличивая риск остеоартрита.
Таким образом, скованность и болезненность, которые люди испытывают сегодня, могли быть просто связаны с эволюционным преимуществом: остеоартрит возник вместе с коленом. Однако исследователи подчеркивают, что эта болезненная особенность может окупиться при изучении эволюции человека.
"Идея связать новые черты с почти новыми заболеваниями – хорошая психологическая основа для размышлений при изучении этих болезней старения," сказал Ричард. "Вы не можете действительно съесть свой торт и съесть его."