基因揭示骨盆如何适应直立行走

2022-08-25 中国科学报

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与大猩猩和黑猩猩的骨盆(左、中)相比，人类的骨盆是弯曲的并向外旋转，以支持直立行走。图片来源：TERENCE CAPELLINI

　　宽而呈盆状的骨盆是人类的标志性物理特征。没有它，我们就不能直立行走，也不能生育较大的婴儿。

　　进化常常通过作用于影响早期胚胎发育的基因开关而产生新的物理特征。近日，一项有关人类胚胎的新研究已经确定了胚胎时期骨盆开始发育的窗口期，并确定了数百个驱动该转变的基因和调控RNA区域。相关研究结果发表于《科学进展》。

　　灵长类动物的骨盆由3个主要部分组成：刀片状的骨骼，称为髂骨；髂骨下方有两个管状的融合骨，称为耻骨和坐骨，它们形成了产道。

　　类人猿的髂骨相对较长，产道也相对较窄。人类的髂骨更短、更圆，可以向外扩张和弯曲。人类重塑的髂骨为肌肉提供了附着点，使直立行走更稳定，且更宽的产道能容纳更大的婴儿。

　　论文通讯作者、美国哈佛大学进化生物学家Terence Capellini解释说，这些骨盆模式在早期人类祖先中已经出现，如440万年前的地猿。它们有稍微变长的髂骨，而且被认为至少偶尔会用两只脚走路。

　　然而，在人类胚胎发育期间，这些特征是何时以及如何形成的一直是个谜。人体盆腔的许多关键特征，如弯曲、盆状，在胚胎第29周时就已经发育。研究人员想知道它们是否会更早出现。

　　在合法终止妊娠妇女的同意下，研究人员检查了4至12周大的胚胎。他们发现，大约在6至8周的胚胎中，髂骨开始形成，然后旋转成盆状。尽管胚胎中的其他软骨开始转化成骨头，但研究人员发现，骨盆的软骨阶段似乎会持续数周，让发育中的结构有更多的时间弯曲和旋转。

　　接下来，研究人员提取了胚胎骨盆不同区域的RNA，以研究不同发育阶段的活跃基因。结果发现，在盆腔特定部分中，有数百个基因的活性在妊娠前3个月似乎出现了上升或下降，其中261个基因涉及髂骨。Capellini表示，许多下调的基因参与了软骨转化为骨骼，而许多上调的基因参与维持软骨状态，并可能帮助髂骨延长软骨阶段。

　　通过比较发育中的骨盆与小鼠模型的基因活动，研究人员还发现数千个基因开关似乎与塑造人类骨盆有关。虽然在人类进化过程中，这些开关中的DNA片段似乎进化得很快，但在现代人类中，髂骨中相应的调节部位却几乎没有变化。研究人员认为，这种一致性表明自然选择对髂骨施加了巨大的压力，使其以一种极为特定的方式发展。

　　值得一提的是，Capellini团队还发现，偏离基因程序可能会导致髋关节发育不良和髋关节骨关节炎等疾病。德国杜宾根大学古人类学家Nicole Webb认为，这一新发现可以帮助科学家设计出治疗髋关节疾病或预测分娩并发症的方法。

　　未参与该研究的瑞士苏黎世大学人类学家Martin Hausler认为，这些发现提供了令人印象深刻的盆腔变化新知识。未来的工作是将人类胚胎与其他灵长类动物胚胎进行比较，从而更好地观察自然选择是如何重塑人类骨盆的。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abq4884

　　与大猩猩和黑猩猩的骨盆(左、中)相比，人类的骨盆是弯曲的并向外旋转，以支持直立行走。图片来源：TERENCE CAPELLINI
　　宽而呈盆状的骨盆是人类的标志性物理特征。没有它，我们就不能直立行走，也不能生育较大的婴儿。
　　进化常常通过作用于影响早期胚胎发育的基因开关而产生新的物理特征。近日，一项有关人类胚胎的新研究已经确定了胚胎时期骨盆开始发育的窗口期，并确定了数百个驱动该转变的基因和调控RNA区域。相关研究结果发表于《科学进展》。
　　灵长类动物的骨盆由3个主要部分组成：刀片状的骨骼，称为髂骨；髂骨下方有两个管状的融合骨，称为耻骨和坐骨，它们形成了产道。
　　类人猿的髂骨相对较长，产道也相对较窄。人类的髂骨更短、更圆，可以向外扩张和弯曲。人类重塑的髂骨为肌肉提供了附着点，使直立行走更稳定，且更宽的产道能容纳更大的婴儿。
　　论文通讯作者、美国哈佛大学进化生物学家Terence Capellini解释说，这些骨盆模式在早期人类祖先中已经出现，如440万年前的地猿。它们有稍微变长的髂骨，而且被认为至少偶尔会用两只脚走路。
　　然而，在人类胚胎发育期间，这些特征是何时以及如何形成的一直是个谜。人体盆腔的许多关键特征，如弯曲、盆状，在胚胎第29周时就已经发育。研究人员想知道它们是否会更早出现。
　　在合法终止妊娠妇女的同意下，研究人员检查了4至12周大的胚胎。他们发现，大约在6至8周的胚胎中，髂骨开始形成，然后旋转成盆状。尽管胚胎中的其他软骨开始转化成骨头，但研究人员发现，骨盆的软骨阶段似乎会持续数周，让发育中的结构有更多的时间弯曲和旋转。
　　接下来，研究人员提取了胚胎骨盆不同区域的RNA，以研究不同发育阶段的活跃基因。结果发现，在盆腔特定部分中，有数百个基因的活性在妊娠前3个月似乎出现了上升或下降，其中261个基因涉及髂骨。Capellini表示，许多下调的基因参与了软骨转化为骨骼，而许多上调的基因参与维持软骨状态，并可能帮助髂骨延长软骨阶段。
　　通过比较发育中的骨盆与小鼠模型的基因活动，研究人员还发现数千个基因开关似乎与塑造人类骨盆有关。虽然在人类进化过程中，这些开关中的DNA片段似乎进化得很快，但在现代人类中，髂骨中相应的调节部位却几乎没有变化。研究人员认为，这种一致性表明自然选择对髂骨施加了巨大的压力，使其以一种极为特定的方式发展。
　　值得一提的是，Capellini团队还发现，偏离基因程序可能会导致髋关节发育不良和髋关节骨关节炎等疾病。德国杜宾根大学古人类学家Nicole Webb认为，这一新发现可以帮助科学家设计出治疗髋关节疾病或预测分娩并发症的方法。
　　未参与该研究的瑞士苏黎世大学人类学家Martin Hausler认为，这些发现提供了令人印象深刻的盆腔变化新知识。未来的工作是将人类胚胎与其他灵长类动物胚胎进行比较，从而更好地观察自然选择是如何重塑人类骨盆的。
　　相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abq4884
　　

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