人类为什么用两条腿走路？Science探究骨骼形成的秘密

　　这项研究由德克萨斯大学奥斯汀分校和纽约基因组中心的研究人员领导，以封面文章的形式发表在《Science》杂志上。它揭开了人类进化史的面纱，并有助于医生可以更好地预测患者在晚年患上背痛或关节炎等疾病的风险。

　　

在现代人类的进化过程中，骨骼发生了许多变化，这使得人类成为唯一的两足类人猿，但也容易患上肌肉骨骼疾病。在基于深度学习和人工智能的图像分析的帮助下，研究人员近日确定了与人类骨骼发育相关的基因位点。

这项研究由德克萨斯大学奥斯汀分校和纽约基因组中心的研究人员领导，以封面文章的形式发表在《Science》杂志上。它揭开了人类进化史的面纱，并有助于医生可以更好地预测患者在晚年患上背痛或关节炎等疾病的风险。

共同通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校整合生物学系的助理教授Vagheesh Narasimhan表示：“我们的研究有力地展示了人工智能（AI）对医学的影响，特别是在分析和量化成像数据方面，以及将这些信息与健康档案和遗传信息快速地整合在一起。”

人类是唯一一种腿比手臂长的大型灵长类动物，这种骨骼形态的变化对于人类能够用两条腿走路至关重要。从南方古猿到尼安德特人，各种化石样本清晰记录了骨骼的变化。科学家们试图确定，是哪些基因变化导致了现代人类的这种解剖学差异。

他们还想弄清楚这些骨骼比例如何影响许多肌肉骨骼疾病的风险，比如膝关节炎和髋关节炎——这些疾病影响着全世界数十亿人，是美国成年人残疾的主要原因。

研究人员首先将深度学习模型应用于31,221张全身双能X射线吸收（DXA）图像，这些图像来自英国生物样本库（UK Biobank）中的42,284名个体，他们自愿参加此项研究。这种基于AI的方法让他们能够测量参与者的肩膀、膝盖、脚踝及其他部位之间的距离。

他们将这些测量结果与每位参与者的基因序列进行比较，发现基因组中有145个基因位点控制着骨骼比例。“这些位点富含了调控骨骼发育的基因，以及与罕见人类骨骼疾病和小鼠异常骨骼表型相关的基因，”作者写道。

研究人员随后制定了表型评分和多基因评分，并据此确定了髋关节炎和膝关节炎与相应区域骨骼比例之间的特定关联。这有助于他们了解多种肌肉骨骼疾病的遗传风险。

他们的研究结果表明，髋关节宽度与身高比例较高的人更容易患关节炎和髋关节疼痛。同样地，股骨长度与身高比例较高的人更容易患上膝关节炎、膝盖疼痛和其他膝盖问题。他们还注意到，躯干长度与身高比例较高的人更容易患背痛。

“这些疾病的形成来源于一生中关节承受的生物力学压力，”第一作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的Eucharist Kun谈道。“骨骼比例影响着我们从步态到坐姿的方方面面，因此它们成为这些疾病的风险因素，也是合情合理的。”

这些研究结果也有助于理解人类向两足行走的进化。研究人员指出，控制骨骼比例的几个基因片段与基因组中人类加速区域的重叠程度超出了预期。这些是类人猿和许多脊椎动物共有的基因组片段，但在人类中却有明显的差异。这为骨骼解剖的差异提供了基因组理论依据。

文艺复兴时期最经久不衰的画作之一——达·芬奇的《维特鲁威人》——也包含了类似的概念，也就是人体四肢的比例和长度以及构成人体的其他元素。

“从某种程度上说，我们正在解决达·芬奇曾苦苦思索过的同一个问题，” Narasimhan谈道。“人的基本形状和比例是什么？不过，我们现在正在使用现代方法，同时在研究这些比例是如何由基因决定的。”

原文检索

The genetic architecture and evolution of the human skeletal form

SCIENCE 21 Jul 2023 Vol 381, Issue 6655

DOI: 10.1126/science.adf8009