撰文丨王聰 編輯丨王多魚 排版丨水成文 

500多年前，達·芬奇創(chuàng)作了一副名為《維特魯威人》的素描作品，這幅作品描繪了人類的整體造型和四肢長度及比例，在這幅作品中，達·芬奇給出了他心目中人類肢體的完美比例。 人類是唯一一種腿比胳膊長的大型靈長類動物，這種骨骼比例的變化對人類能夠用兩條腿直立行走至關重要。 直立行走是由 人類骨骼的特定解剖特性決定的，包括相對于腿更短的手臂，更窄的身體和骨盆，以及脊柱方向。盡管一個多世紀以來遺傳學研究論四肢的發(fā)育和身體的整體結構，但仍缺少一個全面的遺傳變異圖譜來描述整體骨骼形態(tài)，例如，哪些基因以及它們的表達如何調節(jié)前肢、后肢和其他長骨的模塊化發(fā)育，目前仍不清楚，我們的骨骼比例的遺傳基礎也沒有被很好地表征。 

2023年7月20日，得克薩斯大學奧斯汀分校和哥倫比亞大學歐文醫(yī)學中心的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了題為：The genetic architecture and evolution of the human skeletal form 的研究論文，該論文還被選為當期封面論文。 該研究利用人工智能（AI）將全身X光圖像數(shù)據和來自英國生物樣本庫（UK Biobank）的3萬多名參與者的相關基因組數(shù)據結合起來，幫助闡明了人類骨骼比例的遺傳基礎。 這項研究還為人類骨骼形態(tài)的進化及其在肌肉骨骼疾病中的作用提供了新的見解，為人類的進化歷史提供了一個窗口，并可能幫助醫(yī)生在將來更好地預測患者患上背痛或關節(jié)炎等疾病的風險。該研究還證明了利用生物樣本庫的大規(guī)模成像數(shù)據來了解人類與疾病相關的和正常身體變化的實用性和可行性。

論文通訊作者 Vagheesh Narasimhan 博士表示，這項研究有力地展示了人工智能對醫(yī)學的影響，特別是在分析和量化成像數(shù)據方面，以及將這些信息與健康記錄和遺傳學快速、大規(guī)模地整合起來。 從已滅絕的南方古猿、尼安德特人，到現(xiàn)代人類，從化石記錄中清晰可見他們的解剖學差異，研究團隊希望確定是哪些基因變化導致了這些差異。他們還想弄清楚，允許雙足直立行走的骨骼比例是如何影響肌肉骨骼疾病風險的，例如膝蓋和臀部的關節(jié)炎，這些疾病影響著世界上數(shù)十億人。 

比較基因組學和進化發(fā)育生物學方法對包括爬行動物和哺乳動物在內的動物骨骼結構的遺傳基礎產生了深入了解。然而，這些方法并不能提供一個描繪調控整個身體和骨骼比例的無偏倚和全面的基因位點圖譜。 

為了研究人類骨骼比例（Skeletal Proportions，SPs）的遺傳基礎及其與進化和肌肉骨骼疾病的關系，研究團隊在計算機視覺中應用了深度學習（Deep Learning）模型和方法，從英國生物樣本庫（UK Biobank）31221個參與者的全身X射線圖像中獲得人類骨骼測量值，結合這些參與者的相關基因組數(shù)據，研究團隊發(fā)現(xiàn)，所有的骨骼比例都是高度可遺傳的（~30%-50%），對這些特征的全基因組關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了145個與骨骼比例相關的獨立基因位點。

這些發(fā)現(xiàn)提供了一個將特定基因與身體不同部位的骨骼長度和比例聯(lián)系起來的路線圖，能夠幫助發(fā)育生物學家以系統(tǒng)的方式研究這些基因。 該研究還發(fā)現(xiàn)，盡管肢體比例表現(xiàn)出強烈的基因共享，但它們與身體寬度比例無關，這一發(fā)現(xiàn)為骨骼形狀進化的限制提供了深入了解。遺傳相關性和基因組結構方程模型表明，肢體比例表現(xiàn)出強烈的遺傳共享，但在遺傳上與寬度和軀干比例無關。 

研究團隊還進一步還分析了骨骼比例與主要肌肉骨骼疾病的關系，結果表明，臀寬與臀高之比較高的人 （也就是臀寬、腿短） 更容易患骨關節(jié)炎和臀部疼痛。同樣，大腿骨長度與身高之比較高的人 （也就是大腿比例長） 更容易患膝蓋關節(jié)炎、膝蓋疼痛和其他膝蓋問題。軀干長度與身高之比較高 （也就是上半身比例長） 的人更容易患背痛。

這些發(fā)現(xiàn)表明，特定的骨骼比例與關節(jié)特異性骨性關節(jié)炎之間存在關聯(lián)，這也提示了我們，骨骼比例不僅影響從步態(tài)、坐姿到外在形象的方方面面，還影響了肌肉骨骼疾病風險。這項研究也對我們對人類進化的理解產生了影響。研究團隊指出，控制骨骼比例的幾個基因片段與基因組中被稱為人類加速進化區(qū)（Human Accelerated Regions，HARs）的重疊程度超出預期。這些是類人猿和許多脊椎動物共有的基因組片段，但在人類中卻有明顯差異，這為人類與其他動物骨骼解剖的差異提供了基因組層面的理論依據。 

研究團隊表示，從某種程度上，這項研究正在解決達·芬奇曾苦苦思索的一個問題——人類的基本形狀和比例是什么？使用基因組學和人工智能方法，研究團隊證明了自然選擇塑造了人類進化中最基本的解剖學轉變，整體骨骼形態(tài)的變化賦予了人類直立行走的獨特能力，發(fā)現(xiàn)了與骨骼比例相關的獨立基因位點，還將變化與人類肌肉骨骼疾病的發(fā)病風險聯(lián)系了起來。

本文由“健康號”用戶上傳、授權發(fā)布，以上內容（含文字、圖片、視頻）不代表健康界立場?！敖】堤枴毕敌畔l(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務，如有轉載、侵權等任何問題，請聯(lián)系健康界（jkh@hmkx.cn）處理。

相關知識

人體骨骼結構?骨骼疾病有哪些？關愛人體健康“支柱”
精神疾病的遺傳基礎與家族病史分析.pptx
出生體重與成年疾病有遺傳關聯(lián)
解讀精神疾?。壕襁z傳學的進展
減肥能逆轉疾?。孔钚卵芯拷沂綛MI與疾病的驚人關系！
遺傳基因和代謝疾病的關系
產檢邁向個性化？華大等發(fā)表封面專輯，揭示孕期生化、母子代謝及妊娠期糖尿病的遺傳密碼
科學家聯(lián)合揭示孕期糖尿病遺傳密碼—新聞—科學網
遺傳因素與疾病治療方案的關聯(lián)研究.pptx
十大遺傳疾病有哪些種類

網址: Science封面：腿長的人易出現(xiàn)膝蓋疾病，AI幫助揭示人類骨骼比例的遺傳基礎、進化和疾病關聯(lián) http://www.u1s5d6.cn/newsview1569095.html