چگونه تکامل اسکلت انسان را شکل داد: سرنخ هایی از غضروف

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ژنوم انسان و شامپانزه بیش از 98 درصد یکسان هستند و خود ژن ها به سختی با هم تفاوت دارند. تصور می شود تغییراتی که ما را انسان می کند در عوض در DNA پنهان می شود که زمان و مکان روشن شدن ژن ها را کنترل می کند.

تیمی به سرپرستی دانشیار فومیتاکا اینو و محقق ییژی یان در موسسه مطالعات پیشرفته زیست شناسی انسان دانشگاه کیوتو (WPI-ASHBi)، همراه با محقق اصلی دیوید گوخمن و ناداو میشول در موسسه علوم وایزمن، اکنون اولین اطلس عملکردی ما را در پشت تغییرات ویژه اسکلت ژنی ساخته اند.

آنها با ترکیب دو تکنیک قدرتمند (آزمایش‌های گزارشگر موازی یا MPRA و سلول‌های هیبریدی انسان و میمون)، دریافتند که خانواده‌ای از مولکول‌ها به نام گلیکوزآمینوگلیکان‌ها (GAGs) که غضروف‌های ما را محافظت و حفظ می‌کنند، در طول تکامل انسان از بین رفته‌اند.

این یافته دریچه جدیدی از نحوه شکل گیری اسکلت انسان و اینکه چرا ما به طور منحصر به فردی در برابر بیماری های اسکلتی مستعد هستیم، ارائه می دهد. این اثر در Nature منتشر شده است.

در مقایسه با دیگر میمون‌های بزرگ، انسان‌ها دارای مجموعه‌ای از ویژگی‌های قابل توجه هستند: مغز بزرگ و شناخت پیشرفته، گفتار پیچیده و اسکلت ساخته شده برای راه رفتن راست و دو پا.

درک چگونگی پدید آمدن این ویژگی‌ها صرفا یک مسئله تاریخ طبیعی نیست: برای درک، و در نهایت درمان بیماری‌هایی که به طور نامتناسبی در انسان‌ها رایج هستند، مرکزی است. اما در حالی که این ویژگی‌ها در سطح بدن به خوبی توصیف شده‌اند، تغییرات DNA خاصی که به تولید آنها کمک می‌کند تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده‌اند.

مشخص کردن اینکه کدام تفاوت‌های ژنتیکی مهم هستند و چگونه عمل می‌کنند، از دیرباز یکی از چالش‌های اصلی در مطالعه تکامل انسان بوده است.

ژنوم انسان شامل تقریبا 3 میلیارد "حروف" DNA است و با ژنوم شامپانزه تنها حدود 1٪ تا 4٪ متفاوت است، بسته به نحوه شمارش این تفاوت ها. مناطق کد کننده پروتئین بین این دو گونه تقریبا یکسان است. این امر دانشمندان را به این نتیجه رسانده است که بسیاری از آنچه که تکامل انسان را هدایت می‌کند، در خارج از این مناطق، در توالی‌های تنظیمی غیرکدکننده قرار دارد که تعیین می‌کنند ژن‌ها چه زمانی، کجا و چگونه قوی هستند.

چالش فنی بوده است: برای هر توالی مشخص، تعیین اینکه آیا یک تغییر خاص انسان واقعا فعالیت ژن را تغییر می‌دهد یا صرفا یک ناظر بی‌ضرر است، بسیار دشوار بوده است.

در این مطالعه، محققان بر آن شدند تا با تمرکز بر اسکلت انسان بر این تنگنا غلبه کنند. آنها دو رویکرد تجربی مکمل را برای شناسایی، در مقیاس ژنومی، تغییرات تنظیمی که تکامل اسکلتی را شکل داده است، ترکیب کردند.

ابتدا، این تیم ژنوم بیش از 15000 نفر را با ژنوم 139 میمون بزرگ از جمله شامپانزه‌ها، بونوبوها، گوریل‌ها و اورانگوتان‌ها مقایسه کردند و تقریبا 5.7 میلیون تغییر را شناسایی کردند که فقط در طول نسل انسان به وجود آمدند. حدود 561000 مورد از این تغییرات در نواحی پروموتر و تقویت کننده کاندید بود.

محققان سپس هر دو شکل انسانی و اجدادی هر توالی را سنتز کردند و آنها را در سلول های غضروفی کشت شده با استفاده از MPRA آزمایش کردند، روشی که فعالیت صدها هزار توالی تنظیمی را به طور همزمان اندازه گیری می کند. این صفحه نمایش میدان را به حدود 15000 گونه خاص برای انسان محدود می کند که به طور قابل اندازه گیری فعالیت ژن را تغییر می دهد.

تیم بعدا تأثیرات این تغییرات نظارتی را در یک محیط سلولی مشترک آزمایش کرد. آنها سلول های بنیادی پرتوان القا شده از انسان و گوریل (iPS) را برای ایجاد سلول های هیبریدی بین گونه ای ادغام کردند، سپس آنها را هدایت کردند تا به سلول های پیش ساز تبدیل شوند که قادر به تشکیل استخوان و غضروف هستند. از آنجایی که کروموزوم‌های انسان و گوریل سلول‌های مشابهی را اشغال می‌کردند، محققان می‌توانستند فعالیت آن‌ها را مستقیما مقایسه کنند، بدون اینکه اثرات مخدوش‌کننده‌ای که ممکن است هنگام مطالعه این دو گونه در فرهنگ‌های جداگانه ایجاد شود، مقایسه کنند.

آنها با استفاده از استراتژی مشابه برای سلول های هیبریدی انسان و شامپانزه که قبلا تولید شده بودند، ژن هایی را شناسایی کردند که به طور متفاوتی در انسان و سایر میمون های بزرگ تنظیم می شوند.

قوی ترین سیگنال در مسیرهای مربوط به گلیکوزآمینوگلیکان ها (GAGs) ظاهر شد. GAG ها اجزای اصلی ماتریکس خارج سلولی هستند، داربستی که سلول ها را احاطه کرده و از آنها حمایت می کند و به حفظ ساختار، خاصیت ارتجاعی و محتوای آب غضروف کمک می کند.

در سلول‌های هیبریدی انسان-گوریل، بسیاری از ژن‌های مرتبط با GAG بر روی کروموزوم‌های انسان نسبت به کروموزوم‌های گوریل کمتر فعال بودند، که با اثرات تغییرات تنظیمی خاص انسان سازگار بود.

همین الگو در بافت مفصلی دیده شد. هنگامی که محققان محتوای GAG را در نمونه‌های آرنج و زانو از انسان و دیگر میمون‌های بزرگ اندازه‌گیری کردند، میزان آن در میان میمون‌های بزرگ دیگر کمی متفاوت بود، اما در انسان‌ها فقط یک چهارم تا یک سوم بیشتر بود.

در مجموع، نتایج نشان می‌دهد که تغییرات تکاملی در تقویت‌کننده‌های کنترل کننده ژن‌های مرتبط با GAG باعث کاهش سطح GAG در غضروف انسان می‌شود. این تغییر ممکن است به ویژگی‌های متمایز اسکلت ما کمک کرده باشد و در عین حال به توضیح اینکه چرا بیماری‌هایی مانند استئوآرتریت در انسان بسیار شایع‌تر از بستگان میمون‌های ما است کمک کرده است.

پیامدها فراتر از اسکلت است. با ترکیب MPRA با سلول های هیبریدی بین گونه ای، این مطالعه به محققان اجازه می دهد تا فراتر از مقایسه توالی ژنوم حرکت کنند و مستقیما آزمایش کنند که چگونه گونه های خاص انسان بر فعالیت ژن در سلول ها تأثیر می گذارد.

همین رویکرد می‌تواند برای بررسی مبنای تنظیمی سایر صفات متمایزکننده انسان‌ها، از جمله ویژگی‌های مغز و پوست، و بررسی اینکه چگونه تغییرات تکاملی به بیماری‌هایی که به طور نامتناسبی بر انسان‌ها تأثیر می‌گذارند کمک می‌کند، استفاده شود.

نویسنده اول، ییژی یان، اظهار داشت: "با ساختن اولین اطلس کاربردی از انواع تنظیم‌کننده سیس مخصوص انسان، مطالعه ما نشان می‌دهد که چگونه مقررات تکامل منحصربه‌فرد اسکلت انسان را هدایت می‌کند و شکاف طولانی‌مدت در زیست‌شناسی تکاملی را پر می‌کند. حرکت رو به جلو، به‌کارگیری رویکرد یکپارچه ما به رمزگشایی بیشتر دیدگاه‌های منحصربه‌فرد انسانی در زمینه بیماری‌های ژنتیکی کمک می‌کند."

دیوید گوخمن، تکامل تنظیم کننده ژن اسکلت انسان، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11053-x. www.nature.com/articles/s41586-026-11053-x

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →