在一项新的研究中，来自美国哥伦比亚大学和德克萨斯大学的研究人员发现了使类人猿从以指关节为基础的跳跃转变为人类直立行走的基因变化。他们利用深度学习（人工智能的一种形式）和全基因组关联研究，首次绘制出了灵长类动物骨骼变化导致直立行走的基因组区域图谱。该图谱揭示了化石记录中观察到的解剖结构转变的基因受到了自然选择的强烈影响，并为早期人类带来了进化优势。相关研究结果发表在2023年7月21日的Science期刊上，论文标题为“The genetic architecture and evolution of the human skeletal form”。

论文共同通讯作者、哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院计算与统计基因组学（精神病学）助理教授Tarjinder Singh博士说，“在更实际的层面上，我们还发现了与髋关节炎、膝关节炎和背部关节炎相关的基因变异和骨骼特征，这些关节炎是导致美国成年人残疾的主要原因。”

例如，髋关节平均宽高比的轻微偏差与髋关节骨关节炎（hip osteoarthritis）风险的增加有关，而胫骨-股骨角度的轻微偏差与膝关节骨关节炎（knee osteoarthritis）风险的增加有关。这些发现可能有助于科学家们设计出预防和治疗这些使人衰弱的疾病的新方法。

采用新技术

这些作者应用深度学习分析了来自英国生物库的3万多张全身X光片。深度学习是一种模拟大脑神经网络的技术，它可以训练计算机完成人类自然而然会做的事情，比如驾驶汽车或翻译语言。在这项新的研究中，这种技术被用来对X光片进行标准化处理，移除任何有质量问题的图像，然后精确测量数十种骨骼特征，而这些任务原本需要人们花费数月甚至数年的时间才能完成。

接下来，这些作者对人类基因组进行了扫描，以确定与 23 种关键骨骼测量指标（如肩宽、躯干长度和胫骨-股骨角度）的差异有关的染色体区域。（这些扫描被称为全基因组关联研究，包括对一大群人的基因组进行调查，寻找在患有特定疾病或性状的人群中出现频率较高而在没有这种疾病或性状的人群中出现频率较低的基因组变异异）。这一过程发现了 145 个与调控骨骼发育的基因相关的基因组区域。在这些基因位点中，只有少数几个在以前的研究中是已知的。

人类骨骼特征的遗传基础、进化和健康后果。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adf8009。

这145个区域中的许多与人类基因组的“加速”区域重叠，与类人猿的相同区域相比，人类基因组的“加速”区域在亿万年中迅速进化。相比之下，与心脏、免疫系统、新陈代谢和其他特征相关的基因很少出现在基因组的“加速”区域。

论文共同通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校综合生物学助理教授、统计学和数据科学助理教授 Vagheesh M. Narasimhan 博士说，“我们所看到的是第一个基因组证据，表明影响骨骼比例的基因变异存在选择性压力，从而实现了从指关节行走到两足行走的过渡。”

这项新的研究还展示了将大规模生物库数据、机器学习和基因组学结合起来，帮助我们了解人类健康和疾病的力量。Singh目前正在应用这些技术来了解精神疾病的病因。

参考资料：

Eucharist Kun et al. The genetic architecture and evolution of the human skeletal form. Science, 2023, doi:10.1126/science.adf8009.