Почему суставной хрящ человека беднее, чем у обезьян

В ходе эволюции суставной хрящ человека приобрёл неожиданную особенность. По сравнению с другими человекообразными обезьянами в нём в среднем примерно втрое меньше определённых углеводных цепей, которые помогают ткани удерживать воду и выдерживать нагрузку. Эта разница может быть связана с древними изменениями в регуляции генов и оказаться частью эволюционного компромисса, сопровождавшего перестройку нашего скелета.

Речь о гликозаминогликанах. Это длинные углеводные цепи, которые прикрепляются к белкам, в частности к аггрекану, и входят в состав внеклеточного матрикса хряща. Их многочисленные отрицательные заряды притягивают воду.

Благодаря этому хрящ остаётся упругим и распределяет давление, когда человек идёт, бежит или поднимает тяжести. Коллаген создаёт прочный каркас, а богатые водой молекулярные комплексы помогают ему сопротивляться сжатию.

Три раза меньше — в разных суставах

Авторы исследования, опубликованного в Nature, сравнили 139 образцов суставного хряща, полученных от 42 людей и семи особей других человекообразных обезьян. Образцы представляли восемь типов суставов. Измеряли содержание сульфатированных гликозаминогликанов, нормируя результат на количество ДНК в ткани.

У шимпанзе, бонобо, горилл и орангутанов показатели оказались относительно близкими друг к другу. У людей же содержание этих молекул было в среднем примерно втрое ниже. Разница прослеживалась во всех восьми изученных типах суставов: от 2,6 до 4 раз.

Особенно любопытно, что её обнаружили не только в суставах, которые у человека испытывают повышенную нагрузку. Она сохранялась и там, где нагрузка относительно других обезьян сопоставима или ниже. Авторы также проверили возраст и пол: эти факторы не объяснили выявленного различия. Следовательно, свести результат просто к последствиям ходьбы на двух ногах не получается.

Сравнение, впрочем, было проведено на ограниченном числе обезьян. Оно показывает выраженное различие в составе исследованных тканей, но само по себе не говорит, насколько прочнее один хрящ по сравнению с другим и кто с какой вероятностью заболеет остеоартрозом.

Подсказка спряталась в регуляции генов

Чтобы понять, откуда могло взяться различие, авторы исследовали не только хрящ, но и участки ДНК, которые регулируют активность генов. Они проверили 561 410 генетических замен, возникших в человеческой эволюционной линии и расположенных в потенциальных регуляторных участках. В лабораторном тесте на клетках хряща 15 077 таких участков показали отличия в регуляторной активности.

Затем исследователи создали гибридные клетки, объединив культивируемые клетки человека с клетками шимпанзе или гориллы, и направили их развитие в сторону предшественников костной и хрящевой тканей. Это были исключительно лабораторные клеточные модели, а не гибридные организмы. В общей клеточной среде можно было сравнить, как работают гены, унаследованные от разных видов, не смешивая этот эффект с различиями условий.

Один из наиболее заметных сигналов касался синтеза гликозаминогликанов: у человеческих вариантов ряда генов активность была ниже. Например, для гена CSGALNACT1, участвующего в удлинении цепей хондроитинсульфата, обнаружились регуляторные изменения, согласующиеся со сниженной экспрессией.

Но картина не была прямолинейной. В гене ACAN, кодирующем аггрекан, человеческая линия приобрела дополнительные повторяющиеся участки, которые потенциально дают больше мест для прикрепления углеводных цепей. Несмотря на это, непосредственно в человеческом суставном хряще гликозаминогликанов оказалось меньше.

Эволюция затронула несколько звеньев одной системы, причём не все изменения действовали в одном направлении.

Что это говорит о болезнях суставов

При остеоартрозе хрящ постепенно теряет свои нормальные свойства, а нарушения его внеклеточного матрикса играют важную роль в заболевании. Авторы предполагают, что сравнительно низкое исходное содержание гликозаминогликанов могло сделать человеческие суставы более уязвимыми к дегенерации.

Эта гипотеза согласуется с тем, что такие заболевания у людей распространены чаще, чем у других человекообразных обезьян.

Однако здесь нельзя поставить знак равенства между молекулярным отличием и причиной болезни. Исследование не было продольным и не оценивало индивидуальный риск развития остеоартроза. Оно также не доказало, что именно выявленные регуляторные изменения вызывают заболевание или что прямохождение непосредственно привело к снижению содержания гликозаминогликанов.

Кроме того, трёхкратная разница в химическом составе не означает трёхкратной разницы в прочности сустава или риске его разрушения.

Работа добавляет к истории человеческого скелета новую деталь. Во время эволюции изменились не только форма таза, позвоночника и конечностей, но и молекулярный состав ткани, покрывающей поверхности суставов.

Одна из самых заметных особенностей нашего скелета, возможно, скрыта не в костях, а в тонком слое хряща между ними.