Ослабленный синтез полисахаридов хрящей сформировал строение человеческого скелета

Человек обладает уникальным набором признаков, отличающих его от других человекообразных обезьян, или гоминид. Многие наиболее очевидные из них проявляются в строении скелета: так, например, свойственное нам прямохождение обеспечивается измененной структурой таза, а крупный головной мозг — увеличенным сводом черепа. Но информации о генетических изменениях, лежащих в основе таких особенностей скелета, пока недостает. Их проанализировал международный коллектив под руководством Давида Гохмана, израильского ученого, известного реконструкцией внешности денисовцев по метилированию их генома. Исследователи показали, что для человека характерны уникальные изменения в регуляции экспрессии генов, которые в первую очередь затрагивают биосинтез гликозаминогликанов, ключевых полисахаридов соединительной ткани. Результаты опубликованы в журнале Nature. 

Считается, что фенотипические различия между близкородственными видами обусловлены главным образом изменениями в регуляции генов. Многие из таких изменений затрагивают цис-регуляторные элементы (CRE) — например, промоторы и энхансеры. Для их анализа ученые применили метод массового параллельного репортерного анализа (MPRA) — они клонировали каждый цис-регуляторный элемент перед транскрибируемым ДНК-баркодом. Обеспечиваемую этим элементом интенсивность экспрессии оценивали по уровню соответствующей РНК. 

Исследователи отобрали 561 410 замен, отличающих человека от других гоминид, в промоторах и энхансерах. Библиотеку клонированных CRE, содержащих эти замены, ввели в хондроциты — клетки, играющие ключевую роль в морфогенезе скелета. Таким способом ученые выявили среди CRE-кандидатов 15 077 локусов с регуляторной активностью, специфичной для человека.

Однако на экспрессию генов влияют не только однонуклеотидные замены, но и другие классы цис-регуляторных вариаций — например, инделы и структурные варианты. Поэтому авторы провели опыты на композитных клетках. Они получили межвидовые гибридные линии путем слияния индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) гориллы и человека. Затем из этих гибридных клеток, а также полученных ранее гибридных ИПСК человека и шимпанзе получили остеохондральные клетки-предшественники конечностей. Анализ дифференциальной экспрессии выявил 4 152 различия, специфичных для шимпанзе, и 4 463 — специфичных для человека. 

Проанализировав биологические функции и пути, затронутые особенностями регуляции генов, авторы обнаружили, что наиболее выраженно были затронут пути синтеза и заякоривания гликозаминогликанов. Это полисахариды, входящие в состав протеогликанов внеклеточного матрикса и клеточной поверхности. Они в большом количестве содержатся в хрящах, составляя 15–30% сухой массы и уступая по этому показателю только коллагену.

Сайтов закрепления гликозамингликанов у человека оказалось больше, а уровни экспрессии ключевых генов их биосинтеза — меньше, чем у прочих гоминид. Чтобы выяснить, как такое изменение влияет на внеклеточный матрикс хряща и отличается ли он у человека и других приматов, ученые проанализировали 139 образцов хряща от 7 человекообразных обезьян и 42 человек. Оказалось, что уровни гликозаминогликанов у человека были снижены примерно втрое по сравнению с другими изученными видами. Разница не объяснялась тем, что некоторые суставы человека испытывают больше или меньше нагрузки по сравнению с суставами других приматов — она не зависела от анатомической локализации. 

При этом известно, что снижение биосинтеза гликозаминогликанов влияет на многие морфологические черты, преимущественно скелетные — низкорослость, уплощение лица, высокий лоб, укорочение пальцев. Его также связывают с рядом патологий опорно-двигательной системы, а именно дегенеративных болезней суставов.

Таким образом, выраженные изменения в цис-регуляторных элементах человека повлияли на состав внеклеточного матрикса его хрящей. Содержание гликозаминогликанов в суставах заметно снижено по сравнению с суставами различных человекообразных обезьян. Авторы полагают, что с одной стороны это повлияло на уникальные особенности морфологии скелета, а с другой — вероятно, создало почву для развития некоторых специфичных заболеваний.