Nature | 直立行走的“演化代价”：为什么人类的关节软骨更容易退变？

人类与黑猩猩、大猩猩等类人猿在蛋白质编码基因上高度相似，但人类拥有独特的解剖学特征，例如适应双足直立行走与手部精细操作的骨骼形态，以及容纳发达大脑的膨大颅腔。究竟是基因组中的哪些“调控开关”发生了改变，塑造了人类特有的骨骼形态？

近日，京都大学高等研究院人类生物学高等研究基地（WPI-ASHBi）Fumitaka Inoue（井上 詞貴）课题组（第一作者 闫艺之 Yizhi Yan）与以色列韦茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）David Gokhman 课题组（第一作者 Nadav Mishol）合作，在 Nature 杂志上发表了题为 The gene-regulatory evolution of the human skeleton 的研究论文。 该研究结合大规模平行报道基因测序（lentiMPRA）与跨物种杂交干细胞（interspecies hybrid cells）技术，首次构建了人类骨骼演化中顺式调控变异（cis-regulatory variants）及其靶基因表达的功能图谱。研究发现，人类关节软骨中维持结构与缓冲压力的关键分子——糖胺聚糖（Glycosaminoglycans,GAGs）的合成通路在演化过程中遭遇了显著的顺式调控抑制，导致人类关节软骨中的 GAG 含量较类人猿大幅降低了 3 到 4 倍。

Nature News & Views 专栏发表了题为 The regulatory roots of the human skeleton 的专题评论，评价该工作在跨越不同生物学层级（从 DNA 变异、细胞调控到真实组织表型）上实现了完美汇聚，揭示了塑造人类骨骼特征与增加骨关节炎（Osteoarthritis）等退行性骨病易感性之间的演化权衡（Evolutionary Trade-off）。

1. 背景与问题：寻找隐藏在基因组非编码区的“人类特有开关”

在演化生物学与古人类学领域，描述人类化石与骨骼形态的异同已有上百年的历史。人类与黑猩猩的基因组序列差异仅约为 1%–4%，且编码蛋白质的基因区域几乎完全一致。因此，学术界普遍认为，驱动种间表型演化主要来自于非编码调控区：即控制基因在何时、何地以及以多强力度表达的顺式调控元件（cis-regulatory elements,CREs，如启动子和增强子）。

骨骼系统的重构是人类演化中最显著的特征之一。然而，由于非编码调控元件数量庞大，且难以像编码序列那样直接通过遗传密码子预测其功能，精确定位哪些顺式调控变异确实改变了基因表达活性，长期以来面临着极大的技术瓶颈。

2. 高通量功能筛选：lentiMPRA 绘制人类骨骼调控变异图谱

为了系统解析塑造人类骨骼演化的顺式调控变异，研究团队将焦点锁定在对骨骼发育与维持至关重要的细胞类型：软骨细胞（Chondrocytes）上。软骨细胞不仅在胚胎期的内骨骼成骨过程（Endochondral ossification）中构建骨骼支架，更是成体关节软骨中唯一的细胞类型，决定着软骨的力学与黏弹性。

研究人员首先对比了 139 个类人猿（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、红猩猩）基因组与 15,708 个人类基因组及古人类（尼安德特人、丹尼索瓦人）基因组，筛选出在人属（Homo）中特有且已达固定的 561,410 个候选调控区单碱基替换（SNVs）。

随后，研究团队利用基于慢病毒的大规模并行报告基因测序（lentivirus-based massively parallel reporter assay, lentiMPRA）技术，在人类初级关节软骨细胞中对包含这些变异的 366,402对（共732,804 条调控序列，每一对分别包括人类等位基因或祖先等位基因）进行了高通量功能活性测试。鉴定出 15,077 个在人类演化过程中顺式调控活性发生显著改变的CREs。转录因子结合分析表明，FOS 家族等在软骨细胞中表达的关键转录因子的结合基序在这些差异活性元件中显著富集，提示转录因子结合网路的重塑是驱动人类骨骼调控分化的重要节点。

3. 跨物种杂交细胞：在相同 Trans 环境下解析基因表达演化

MPRA 实验聚焦于单碱基替换，但基因表达的改变还可能受到插入缺失（indels）或结构变异等其他类型变异的影响。为此，研究团队引入了第二个互补的功能基因组学平台：跨物种杂交细胞（Interspecies hybrid cells）。

研究人员通过细胞融合技术创建了人类-大猩猩（human-gorilla）杂交 iPS 细胞系，并与此前构建的人类-黑猩猩（human-chimpanzee）杂交细胞一起，将其定向诱导分化为肢体骨软骨前体细胞（limb osteochondral progenitor cells）。在异源四倍体杂交细胞中，人类与类人猿的染色体共处于同一个细胞核中，经历了完全相同的 trans 调控环境。因此，两条染色体之间的表达差异可以归因于 cis 顺式调控演化。

结合Parsimony极化分析，研究团队成功在基因组尺度上鉴定了 4,463 个人类特异的顺式调控表达改变基因，构建了人类骨骼演化中顺式基因表达发散的完整图谱。

4. 关键发现：细胞外基质（ECM）与糖胺聚糖（GAG）轴的协同重构

通过整合 MPRA 测定的变异活性图谱与杂交细胞的基因表达图谱，研究团队对其影响的生物学通路进行了深度挖掘，发现细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM），特别是糖胺聚糖（GAGs）的合成与代谢通路发生了最为显著的演化重构。

糖胺聚糖是一类长链多糖分子，附着在软骨中的聚糖蛋白（如 Aggrecan，由 ACAN 基因编码）上，构成高度水合的大分子网络，赋予关节软骨抗压与缓冲的能力。

研究发现：

1）GAG 合成通路全线下调：在 MPRA 与杂交细胞表达数据中，包括 CSGALNACT1（引发软骨素硫酸链伸长的关键酶）在内的多个 GAG 合成基因顺式调控活性及表达水平均呈显著下调趋势。

2）ACAN 基因的复杂演化：有趣的是，作为 GAG 结合支架的 Aggrecan 蛋白，其编码基因 ACAN 的第 12 核心外显子（包含 GAG 结合重复序列）在人类演化中经历了两次特异性的扩增，平均增加了 6 个重复单元（即多出 12 个 GAG 锚定位点）。这种支架蛋白锚定点的扩增与 GAG 合成酶下调的并行存在，展现了人类骨骼演化中复杂的调控与补偿机制。

3）实体组织表型验证：为了验证细胞模型的发现，研究团队测量了来自 42 个人类个体与 7 个类人猿个体、覆盖 8 个不同关节部位（肩、肘、手腕、手掌/手指、髋、膝等）的 139 份真实关节软骨样品。结果表明：类人猿各物种间的 GAG 含量基本持平，而人类各个关节软骨中的硫化 GAG 含量比类人猿显著降低了 2.6 至 4 倍（总体降低约 3 倍）。

5. Nature News & Views点评：演化权衡与功能基因组学新范式

针对这一突破性研究，Vanderbilt University 的 Audrey M. Arner 与 Amanda J. Lea 教授在 Nature News & Views 撰写了专题评论。评论重点突出了以下几个核心维度：

① 多层级证据的完美汇聚（Convergence across biological scales）

评论指出，该研究最出色的地方在于其多层级实验设计的相互印证：从 MPRA 在细胞培养中识别出人类特异的 DNA 调控变异，到杂交干细胞捕获到 GAG 通路基因表达的下调，再到真实生理组织测量中证实人类关节软骨 GAG 含量的剧烈下降。这种从分子、细胞到组织表型的完整逻辑链条，为解答人类演化难题树立了新的标杆。

② 深刻揭示演化权衡（Evolutionary Trade-off）

评论强调，GAGA 通路及关节软骨的重构可能是为了适应人类独特的骨骼形态（如直立行走带来的关节力学重塑）。然而，这种演化改变也带来了显著的健康代价（cost to fitness）。GAG 浓度的剧烈下降使人类软骨基底储备大幅削弱，接近脆弱阈值。这就解释了为什么骨关节炎（Osteoarthritis）以及椎间盘退变等退行性骨骼疾病在人类群体中发病率极高，而在其他类人猿中却极为罕见。遗传变异的多效性（Pleiotropy）导致了这种演化权衡，而能在如此精细的分子机制层面将其阐明，具有极高的生物医学价值。

③ 从描述性形态学迈向机制性功能基因组学

评论总结道，几百年来，人类对骨骼演化的理解主要建立在化石与解剖形态的对比上。Yan 等人的研究示范了如何利用 MPRA、跨物种杂交细胞、基因编辑与单细胞组学等前沿功能基因组学工具，跨越从序列发散到表型功能的因果鸿沟，为理解“人类独特性”及人类特有疾病的遗传根源开启了全新的窗户。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11053-x

News & Views 链接：https://www.nature.com/articles/d41586-026-02775-z

制版人： 十一

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