人类的膝盖是设计的胜利。从我们与黑猩猩的共同祖先开始，为了适应两足行走，这个关节进化得相当快，这可能是我们作为一个物种取得成功的原因之一。然而，随着人类寿命的延长，设计上的缺陷出现了:疼痛，以骨关节炎的形式出现。
在一篇新论文发表在细胞进化的选择和限制人类膝骨关节炎软骨细胞调控影响的风险,”研究人员探索基因功能,帮助使这个复杂的联合可能发现监管开关参与其发展也扮演了一定的角色在这个部分遗传性疾病,这折磨全世界至少有2.5亿人。
人类进化生物学系副教授、该论文的通讯作者特伦斯·d·卡佩利尼(Terence D. Capellini)用我们的膝盖实际承受的负担来解释它。
他说:“从进化的角度来看，灵长类动物的膝盖原来可以承受四条腿走路的力量，后来却能承受两条腿走路的全部重量。”“从四足动物变成两足动物会改变力量的分布。我们所有的重量都通过臀部和膝盖传递到脚踝。关节中的细胞和关节的形状必须改变以适应这些新的力量。”
有了这样一个特殊的任务——由于其起源于较老的灵长目动物的膝盖而受到限制——优化的两足动物的膝盖发展出了一种所谓的受限形态，也就是说，它不允许有太多的变化。“你可以想象，当你在为飞机设计零件时，你不想偏离太多，”卡佩里尼说。
为了了解这个复杂的机制是如何发展的，研究人员寻找自然选择加速的证据:一系列的突变帮助我们直立行走。
卡佩利尼说:“我们想知道，我们是否能在专门雕刻膝盖的基因组区域看到古代进化的迹象——古代的选择。”为此，他们寻找了特定的调节开关的踪迹，即“负责开启和关闭使膝盖成为人类膝盖的遗传物质”的DNA片段。
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他们的发现反映了卡佩利尼所说的“积极的选择”:新膝盖给了这些羽翼未丰的两足动物进化优势的证据。功能最强的膝盖会被选中，通过减少控制关节形成的开关的遗传变异，来减少膝盖形状随时间的变化。当时，持续存在的变异可能并不重要。
“后来，随着人类种群的扩张和漂移，你开始获得这些基因变异，这些变异会轻微地改变膝盖的形状或如何保持膝盖，”人类进化生物学博士候选人、论文的第一作者丹尼尔理查德(Daniel Richard)解释说。“这些轻微的偏差，作用在这个受约束的膝盖上，会导致患骨关节炎的风险。”
这些特征并没有影响双足膝盖的成功，因为自然选择促进了个体达到性成熟和成功繁殖的特征。从本质上说，因为这种新的膝盖让年轻人在遗传物质的传递上有了优势，所以尽管有这些变异，这种优势仍然存在。我们最终的老年在它的选择中几乎没有什么作用。
理查德说:“我们认为这些微小的改变对早期生活影响不大。”“但当你一直走到50或60岁时，在这段较长的时间里，你的膝盖化合物会发生非常小的变化。”最终导致老年人患上骨关节炎。”
作为原理的证明，Capellini和他的同事进行了另外两个实验。通过研究骨性关节炎患者的膝关节开关与普通人群相比，他们发现骨性关节炎患者的膝关节开关平均比那些没有骨性关节炎的患者有更多的遗传变异。他们还研究了一种名为GDF5(生长分化因子5)的基因，这种基因会增加欧洲人和亚洲人患骨关节炎的风险。通过对小鼠和人类细胞进行CRISPR编辑，他们发现了一种存在于数十亿人身上的基因变异，这种变异会影响一个关键的膝盖开关的功能，改变膝盖的形状，增加患骨关节炎的风险。
今天人类感到的僵硬和酸痛可能只是进化上的优势。换句话说，骨关节炎伴随膝盖而来。研究人员说，这种痛苦可能会在人类进化的研究中得到回报。理查德说:“在研究这些衰老疾病时，将新特征与几乎全新的疾病联系起来的想法是一个很好的思维框架。”“鱼与熊掌不可兼得。”
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/04/human-knee-evolved-in-lockstep-with-osteoarthritis-harvard-study-says/