Cartilajul dezvăluie urmele evoluției în scheletul uman
Genomul uman și cel al cimpanzeilor sunt identice în proporție de peste 98%, iar regiunile care codifică proteinele aproape nu diferă. Din acest motiv, cercetătorii consideră că schimbările care ne fac oameni se ascund în ADN-ul care controlează când, unde și cât de puternic se activează genele.
O echipă condusă de profesorul asociat Fumitaka Inoue și cercetătorul Yizhi Yan de la Institutul pentru Studii Avansate în Biologia Umană al Universității Kyoto, împreună cu investigatorul principal David Gokhman și Nadav Mishol de la Institutul de Științe Weizmann, a construit primul atlas funcțional al modificărilor de reglare genetică specifice oamenilor din spatele scheletului. Lucrarea a fost publicată în revista Nature.
Pentru a identifica aceste modificări, cercetătorii au comparat genomul a peste 15.000 de oameni cu cele ale 139 de maimuțe mari — cimpanzei, bonobo, gorile și urangutani — și au găsit aproximativ 5,7 milioane de schimbări apărute doar pe linia umană. Circa 561.000 dintre ele se aflau în regiuni candidate de promotori și enhanceri.
Echipa a sintetizat apoi atât forma umană, cât și cea ancestrală a fiecărei secvențe și le-a testat în celule de cartilaj cultivate, folosind testele de reporter în paralel masiv, o metodă care măsoară simultan activitatea a sute de mii de secvențe de reglare. Screeningul a restrâns lista la aproximativ 15.000 de variante specifice oamenilor care modificau măsurabil activitatea genelor.
Într-o etapă următoare, cercetătorii au fuzionat celule stem pluripotente induse de origine umană și de gorilă, creând celule hibride între specii, pe care le-au direcționat să se dezvolte în celule progenitoare capabile să formeze os și cartilaj. Deoarece cromozomii umani și cei de gorilă se aflau în aceleași celule, activitatea lor a putut fi comparată direct, fără efectele confundatoare care apar atunci când cele două specii sunt studiate în culturi separate. Aceeași strategie a fost aplicată și celulelor hibride om-cimpanzeu generate anterior.
Cel mai puternic semnal a apărut în căile legate de glicozaminoglicani, molecule care fac parte din matricea extracelulară — schela ce înconjoară și susține celulele — și care ajută la menținerea structurii, elasticității și conținutului de apă al cartilajului. În celulele hibride om-gorilă, multe gene legate de glicozaminoglicani erau mai puțin active pe cromozomii umani decât pe cei de gorilă, în concordanță cu efectele modificărilor de reglare specifice oamenilor.
Același tipar a apărut și în țesutul articular. La măsurarea conținutului de glicozaminoglicani în probe de cot și genunchi de la oameni și alte maimuțe mari, nivelurile au variat puțin între celelalte maimuțe mari, dar au fost de doar aproximativ o pătrime până la o treime la oameni.
În ansamblu, rezultatele sugerează că schimbările evolutive din enhancerii care controlează genele legate de glicozaminoglicani au redus nivelurile acestor molecule în cartilajul uman. Această modificare poate fi contribuit la trăsăturile distinctive ale scheletului nostru și poate ajuta la explicarea frecvenței mult mai mari a afecțiunilor precum osteoartrita la oameni comparativ cu rudele noastre maimuțe.
Implicațiile depășesc scheletul. Prin combinarea testelor de reporter în paralel masiv cu celulele hibride între specii, studiul le permite cercetătorilor să depășească simpla comparare a secvențelor genomice și să testeze direct modul în care variantele specifice oamenilor afectează activitatea genelor în celule. Aceeași abordare ar putea fi folosită pentru a investiga baza de reglare a altor trăsături care disting oamenii, inclusiv caracteristici ale creierului și pielii, și pentru a examina modul în care schimbările evolutive contribuie la boli care îi afectează în mod disproporționat pe oameni.
Primul autor Yizhi Yan a declarat: „Prin construirea primului atlas funcțional al variantelor cis-reglatoare specifice oamenilor, studiul nostru dezvăluie modul în care reglarea a determinat evoluția unică a scheletului uman, acoperind o lacună de lungă durată în biologia evolutivă. În continuare, aplicarea abordării noastre integrative va ajuta la decodificarea și mai profundă a planului genetic al unicității umane și va deschide noi perspective asupra bolilor specifice oamenilor.”
