Гены, формирующие кости, идентифицированы: ключи к нашему прошлому и будущему
Исследователи из Техасского университета в Остине и Нью-Йоркского геномного центра с помощью искусственного интеллекта проанализировали десятки тысяч рентгеновских снимков и генетических последовательностей. Это позволило определить гены, которые формируют наш скелет — от ширины плеч до длины ног.
Исследование, опубликованное на обложке журнала Science, приоткрывает завесу над нашим эволюционным прошлым и открывает окно в будущее, где врачи смогут лучше предсказывать риски пациентов по развитию таких состояний, как боль в спине или артрит в более позднем возрасте.
«Наше исследование — яркая демонстрация влияния ИИ в медицине, особенно когда речь идет об анализе и количественной оценке данных визуализации, а также об интеграции этой информации с медицинскими картами и генетикой быстро и в больших масштабах», — заявил Вагиш Нарасимхан, доцент интегративной биологии, статистики и науки о данных, руководивший междисциплинарной группой, создавшей генетическую карту пропорций скелета.
Люди — единственные крупные приматы, у которых ноги длиннее рук. Это изменение формы скелета было критически важным для развития способности ходить на двух ногах. Ученые стремились определить, какие генетические изменения лежат в основе анатомических различий, явно видимых в палеонтологической летописи от австралопитека до неандертальца.
Они также хотели выяснить, как эти пропорции скелета, позволяющие бипедализм, влияют на риск многих заболеваний опорно-двигательного аппарата, таких как артрит коленного и тазобедренного суставов. Эти состояния затрагивают миллиарды людей в мире и являются ведущими причинами инвалидности взрослого населения в США.
Исследователи использовали модели глубокого обучения для автоматического измерения расстояний между плечами, коленями, лодыжками и другими точками тела на 39 000 медицинских изображений. Сравнив эти измерения с генетической последовательностью каждого человека, они обнаружили 145 участков в геноме, контролирующих пропорции скелета.
«Наша работа предоставляет дорожную карту, связывающую конкретные гены с длинами костей разных частей тела, что позволяет биологам-эволюционистам исследовать их систематически», — сказал Тарджиндер (Т.Дж.) Сингх, соавтор исследования, сотрудник NYGC и доцент кафедры психиатрии Колумбийского университета.
Команда также изучила, как пропорции скелета связаны с основными заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Оказалось, что люди с более высоким соотношением ширины бедер к росту чаще страдают остеоартритом и болью в тазобедренных суставах. Аналогично, люди с более высоким соотношением длины бедренной кости к росту чаще страдают артритом коленных суставов, болью в коленях и другими проблемами с коленями. Люди с более высоким соотношением длины туловища к росту чаще испытывают боль в спине.
«Эти расстройства развиваются из-за биомеханических нагрузок на суставы в течение жизни, — пояснила Юкарист Кун, аспирант по биохимии UT Austin и ведущий автор статьи. — Пропорции скелета влияют на всё: от нашей походки до того, как мы сидим. Логично, что они являются факторами риска этих заболеваний».
Результаты работы также имеют значение для понимания эволюции. Исследователи отметили, что несколько генетических сегментов, контролирующих пропорции скелета, перекрывались больше, чем ожидалось, с областями генома, называемыми ускоренными регионами человека. Это участки генома, общие для человекообразных обезьян и многих позвоночных, но значительно разошедшиеся у людей. Это дает геномное обоснование расхождению в нашей скелетной анатомии.
Один из самых известных образов эпохи Возрождения — «Витрувианский человек» Леонардо да Винчи — содержал схожие представления о соотношениях и длинах конечностей и других элементов, составляющих человеческое тело.
«В некотором смысле мы решаем тот же вопрос, над которым бился да Винчи, — сказал Нарасимхан. — Какова базовая человеческая форма и её пропорции? Но теперь мы используем современные методы и также задаемся вопросом, как эти пропорции определяются генетически».