Ученые давно подозревали, что прямохождение у человека стало возможным благодаря уникальной форме таза. Теперь они раскрыли механистические и генетические основы этой эволюционной новизны. Источник изображения:©iStock, Man_Half-tube

Человеки — единственные приматы, которые ходят на двух ногах. Ученые считают, что это возможно благодаря уникальной форме таза — костей, соединяющих позвоночник с ногами. Однако до недавнего времени исследователи не знали, какие генетические изменения способствовали прямохождению.

«Эволюция новизны — переход от плавников к конечностям или развитие крыльев летучей мыши из пальцев — часто сопровождается масштабными изменениями в процессе развития, — сказал Теренс Капеллини, генетик-эволюционист из Гарвардского университета, в заявлении. — Здесь мы видим, что люди делают то же самое, но с тазом».

Команда Капеллини недавно обнаружила генетические основы прямохождения, изучив, как подвздошная кость, самая крупная кость в тазу, формируется у людей и других приматов в процессе эмбрионального развития.1 Используя методы гистологии и секвенирования, команда выявила два ключевых изменения, которые привели к характерному укорочению и расширению подвздошной кости у человека: перпендикулярное смещение направления роста хряща и задержку окостенения — процесса, в ходе которого хрящ превращается в кость. Они также обнаружили несколько генов, кодирующих транскрипционные факторы, которые, вероятно, регулируют эти процессы. Они опубликовали свои выводы в журнале Nature.

Изображение человеческого таза на фоне, заполненном буквами генетического кода, указывает на то, что исследователи недавно обнаружили генетические основы эволюции человеческого таза, способствовавшей прямохождению. Таз окружён кругами, похожими на циферблат часов: на одном из них указаны углы, обозначающие изменение ориентации роста хрящей; на другом указано количество недель, обозначающее замедление окостенения.

Недавно учёные обнаружили, что подвздошная кость, самая крупная кость в тазу, у двуногих людей растёт в другом направлении и затвердевает медленнее, чем у четвероногих приматов. Из-за этих изменений подвздошная кость у человека необычно короткая и широкая, что позволяет людям стоять и ходить на двух ногах. © Бенуш Хаджиан

Большинство костей — за редким исключением, например, череп — формируются из недифференцированных хрящевых клеток. Позже они дифференцируются и затвердевают, превращаясь в кости.

Сначала команда Капеллини изучила формирование хрящевой ткани в подвздошной кости на ранних стадиях эмбрионального развития. Исследователи получили человеческие эмбрионы, изъятые при прерывании беременности в первом триместре, а также образцы тканей мышей и других приматов. Затем они проанализировали срезы развивающейся подвздошной ткани под микроскопом.

Сначала недифференцированные хрящевые клетки человека располагались вдоль продольной оси (от головы до пят), как у мышей и других приматов. Но примерно на 53-й день беременности ось роста хрящевых клеток человека сместилась перпендикулярно, в результате чего таз стал одновременно короче и шире.

«Я ожидал постепенного укорочения [таза], а затем его расширения. Но гистология показала, что на самом деле он развернулся на 90 градусов, став одновременно и коротким, и широким», — сказал Капеллини.

С помощью одноклеточной и пространственной транскриптомики исследователи обнаружили, что дифференцированные хрящевые клетки распространяются в поперечном направлении (перпендикулярно оси «голова — ноги»), что ещё раз подтвердило результаты гистологического исследования. Затем, чтобы определить молекулярные пути, участвующие в изменении ориентации роста, исследователи проанализировали данные транскриптомики с помощью вычислительного инструмента CellChat.2 Они обнаружили, что этот процесс, вероятно, регулируется сигналами между фактором транскрипции SOX9 и белком, связанным с паратиреоидным гормоном (PTHrP).

Затем команда Капеллини исследовала другой ключевой этап формирования подвздошной кости — окостенение. Исследователи использовали гистологию и компьютерную томографию, чтобы выяснить, чем этот процесс отличается у людей и нечеловекообразных приматов, а также у мышей. Они обнаружили, что у человека окостенение хряща происходит на 16 недель позже, чем у четвероногих. Одноклеточный и вычислительный анализ показал, что в этой задержке, вероятно, участвуют факторы транскрипции RUNX2 и FOXP1/2.

В этом исследовании учёные впервые выявили конкретные эволюционные изменения, которые позволили людям стоять и ходить на двух ногах. Их выводы также могут пролить свет на то, как развивались мышцы, поддерживающие прямохождение.

Ссылки:

1. Сеневиратне Г. и др. Эволюция прямохождения у гоминидов в два этапа. Nature. 2025.
2. Джин С. и др. Вывод и анализ межклеточных взаимодействий с помощью CellChat. Nat Commun. 2021;12(1):1088.