«These bones were made for walking». Είναι αυτός ο παραφρασμένος διάσημος στίχος που κλείνει μέσα του με τον πιο εύγλωττο (σίγουρα όχι σε… άπταιστα ελληνικά) τρόπο την ουσία της μελέτης που θα σας παρουσιάσουμε σήμερα. Μιας μελέτης που δημοσιεύθηκε προσφάτως (συγκεκριμένα στις 20 Ιουλίου) στο επιστημονικό περιοδικό «Science» και η οποία φέρνει στο φως τα γονίδια που οδήγησαν στην πιθανώς πιο καταλυτική στιγμή στην εξέλιξη των θηλαστικών η οποία έλαβε χώρα πριν από περίπου 6 εκατομμύρια χρόνια.

Πρόκειται για τη στιγμή που οι πρόγονοί μας ξεκίνησαν τη δίποδη βάδιση αποκτώντας έτσι για πρώτη φορά την ικανότητα μεγαλύτερης προσαρμογής σε διαφορετικά περιβάλλοντα και πολύ μεγαλύτερης ελευθερίας κινήσεων αφού τα χέρια τους λύθηκαν και μπόρεσαν έτσι να χρησιμοποιήσουν εργαλεία, γεγονός που με τη σειρά του επιτάχυνε σε τεράστιο βαθμό τη γνωστική τους εξέλιξη.

Η μελέτη διεξήχθη από ερευνητές του Πανεπιστημίου Κολούμπια και του Πανεπιστημίου του Τέξας και βασίστηκε στη χρήση ενός συνδυασμού μηχανικής μάθησης και γενετικών μελετών (genome-wide association studies, GWAS, στις οποίες «σαρώνεται» το γονιδίωμα πολλών ατόμων με στόχο να εντοπιστούν γενετικές παραλλαγές που εμφανίζονται συχνότερα στα άτομα εκείνα που έχουν μια συγκεκριμένη νόσο ή κάποιο άλλο κοινό χαρακτηριστικό σε σύγκριση με όσους δεν έχουν τη νόσο ή το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό). Με αυτά τα ισχυρά «εργαλεία» οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν τον πρώτο χάρτη των γενωμικών περιοχών που ήταν υπεύθυνες για τις σκελετικές αλλαγές στα πρωτεύοντα θηλαστικά οι οποίες οδήγησαν στη δίποδη βάδιση.

Δείκτες-κλειδιά

Οπως εξήγησε στο Βήμα-Science o ένας εκ των δύο επικεφαλής της μελέτης, επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Βιολογίας και του Τμήματος Στατιστικής και Επιστήμης Δεδομένων στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Οστιν Βατζίς Ναρασιμχάν «χρησιμοποιήσαμε μηχανική μάθηση για να αναλύσουμε περισσότερες από 30.000 ολόσωμες ακτινογραφίες που ελήφθησαν από τη μεγάλη πληθυσμιακή βάση δεδομένων της Βρετανίας UK Biobank. Στη συνέχεια σαρώσαμε το ανθρώπινο γονιδίωμα προκειμένου να εντοπίσουμε τις χρωμοσωμικές περιοχές που συνδέονται με παραλλαγές σε 23 σκελετικούς «δείκτες-κλειδιά», όπως είναι το πλάτος μεταξύ των ώμων, το μήκος του κορμού αλλά και η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του άξονα του μηριαίου οστού και του άξονα της κνήμης. Η διαδικασία αυτή αποκάλυψε 145 περιοχές που συνδέονταν με γονίδια τα οποία ρυθμίζουν τη σκελετική ανάπτυξη. Μόνο λίγες από αυτές τις περιοχές ήταν γνωστές μέχρι σήμερα».

Πολλές από τις 145 περιοχές που εντόπισαν οι ερευνητές βρίσκονται σε περιοχές του ανθρώπινου γονιδιώματος που ονομάζονται HARs (human accelerated regions) – πρόκειται για περιοχές που εξελίχθηκαν ταχύτατα στη διάρκεια των αιώνων αποκλειστικώς στο ανθρώπινο γονιδίωμα και όχι στο γονιδίωμα των υπολοίπων πρωτευόντων θηλαστικών. Αντιθέτως λίγα μόνο γονίδια τα οποία συνδέονται με την καρδιά, το ανοσοποιητικό σύστημα, τον μεταβολισμό και άλλα χαρακτηριστικά βρίσκονταν σε περιοχές HARs. «Οι περιοχές HARs του γονιδιώματος έχουν συσσωρεύσει περισσότερες μεταλλάξεις στους ανθρώπους από ό,τι στους μεγάλους πιθήκους σε σύγκριση με άλλες περιοχές του γονιδιώματος μέσα στην ίδια περίοδο εξέλιξης. Το εύρημα αυτό μαρτυρεί ότι υπήρξαν εξελικτικές πιέσεις στις γονιδιακές παραλλαγές που επιδρούν στις σκελετικές αναλογίες, γεγονός που επέτρεψε τη μετάβαση από τη βάδιση των πιθήκων, στην οποία χρησιμοποιούνται και τα τέσσερα άκρα ενώ συνήθως ακουμπά στο έδαφος το επάνω μέρος των δαχτύλων των μπροστινών άκρων, στη δίποδη βάδιση» διευκρίνισε ο δρ Ναρασιμχάν.

Σημαντικοί συσχετισμοί

Η μελέτη όμως αυτή δεν είχε ως μόνο στόχο να «σκάψει» στο εξελικτικό παρελθόν μας. Καθώς το (εξελικτικό) παρελθόν ορίζει σε μεγάλο βαθμό το παρόν και το μέλλον μας, είχε και άκρως πρακτικό χαρακτήρα. Ο ερευνητής σημείωσε ότι « μέσω της ανάλυσης εντοπίσαμε επίσης γενετικές παραλλαγές και σκελετικά χαρακτηριστικά που συνδέονται με την οστεοαρθρίτιδα και τον πόνο στα ισχία, στα γόνατα και στη μέση». Για παράδειγμα, μικρές αποκλίσεις από τη μέση αναλογία της απόστασης ισχίων – ύψους φάνηκε να συνδέονται με αυξημένο κίνδυνο οστεοαρθρίτιδας στα ισχία ενώ μικρές αποκλίσεις στη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του άξονα του μηριαίου και του άξονα της κνήμης συνδέονταν με αυξημένο κίνδυνο οστεοαρθρίτιδας στα γόνατα. Συγχρόνως ο μεγαλύτερος λόγος μήκους κορμού προς ύψος συνδεόταν με αυξημένες πιθανότητες εμφάνισης πόνων στη μέση.

Η νέα γνώση αναμένεται να συμβάλει στην καλύτερη πρόληψη αλλά και θεραπεία αυτών των παθήσεων που πλήττουν την ποιότητα ζωής εκατομμυρίων ανθρώπων. Οπως χαρακτηριστικά ανέφερε ο δρ Ναρασιμχάν «πιστεύουμε ότι η ερευνητική μας προσέγγιση η οποία ενσωματώνει μη παρεμβατικές τεχνικές ιατρικής απεικόνισης μαζί με μηχανική μάθηση και γενετικές μελέτες μπορεί να βελτιώσει την πρόβλεψή μας σχετικά με τον κίνδυνο εμφάνισης μυοσκελετικών παθήσεων αλλά και την κλινική διάγνωση των σκελετικών νόσων. Τα εργαστήριά μας θα συνεχίσουν να χρησιμοποιούν τη μηχανική μάθηση για ανάλυση των ιατρικών απεικονίσεων – κυρίως των ακτινογραφιών οι οποίες αποτελούν την κύρια πηγή διάγνωσης των περισσότερων μυοσκελετικών παθήσεων όπως η οστεοαρθρίτιδα – και να συνδυάζουν αυτές τις πληροφορίες με γενωμικά δεδομένα. Μάλιστα ακριβώς σε αυτή την κατεύθυνση θα αφιερωθεί ένα σημαντικό μέρος των μελλοντικών ερευνών μας». Οι καινοτόμες προσεγγίσεις που χρησιμοποιεί πια η επιστήμη φωτίζουν λοιπόν το παρελθόν μας επιφυλάσσοντας ένα καλύτερο μέλλον για την υγεία εκατομμυρίων ανθρώπων.

Η γενετική σύγκριση που κάνει τη διαφορά

Η νέα μελέτη αποτελεί τρανταχτό παράδειγμα της μεγάλης δυναμικής που έχει προσφέρει στην επιστήμη τα τελευταία χρόνια το «πάντρεμα» διαφορετικών μεθόδων και στοιχείων – μεγάλης κλίμακας δεδομένα βιοτραπεζών, ΑΙ, μεγάλου εύρους γενετικές συγκριτικές μελέτες, προηγμένη γενετική αλληλούχηση. Ο δρ Ναρασιμχάν υπογράμμισε ότι «καταφέραμε να ρίξουμε μια καλή ματιά στην εξελικτική ιστορία μας χάρη στη δουλειά πολλών άλλων επιστημόνων του πεδίου της συγκριτικής γενωμικής. Καθώς η γενετική αλληλούχηση έχει βελτιωθεί σημαντικά επιτρέποντας πολύ πιο ευρεία και ακριβή αλληλούχηση του DNA ζώων, ανθρώπων ακόμη και αρχαϊκών ειδών όπως οι Νεάντερταλ, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να συγκρίνουν γονιδιώματα διαφορετικών ειδών και να εντοπίσουν τις περιοχές του ανθρώπινου γονιδιώματος που εξελικτικώς εμφανίζουν απόκλιση, γεγονός που μαρτυρεί ότι αυτές οι περιοχές είναι σημαντικές για φαινότυπους και χαρακτηριστικά αποκλειστικώς… ανθρώπινα».

Ο ερευνητής προσέθεσε ότι «άλλες μελέτες έχουν συνδέσει ορισμένες από τις περιοχές που εμείς εντοπίσαμε με την ανάπτυξη του νευρικού συστήματος, ενώ οι συνεργάτες μας από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια με επικεφαλής τον Τάρτζιντερ Σινγκ (σ.σ.: ο έτερος κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης), επίκουρο καθηγητή Υπολογιστικής και Στατιστικής Γενωμικής στην Ψυχιατρική στο Κολέγιο Vagelos Γιατρών και Χειρουργών του Κολούμπια, εφαρμόζουν τώρα αυτές τις τεχνικές προκειμένου να κατανοήσουν τα αίτια των ψυχικών νόσων. Εμείς επεκτείνουμε τώρα τον συγκεκριμένο τύπο σύνθετης ανάλυσης για να αποκαλύψουμε τα σκελετικά μυστικά του ανθρώπου».