Le genou humain est un triomphe du design. L'articulation, qui a évolué assez rapidement de notre ancêtre commun avec le chimpanzé pour s'adapter à notre bipédie, a probablement contribué à notre succès en tant qu'espèce.
Cependant, alors que la médecine moderne prolonge la durée de vie humaine, nos espèces ont appris la douleur sous forme d'arthrose qui peut accompagner la locomotion de ce chef-d'œuvre biomécanique.
Dans une nouvelle étude des caractéristiques génétiques qui contribuent à rendre possible cette articulation sophistiquée, une équipe internationale de chercheurs a constaté que les commutateurs réglementaires impliqués dans le développement du genou jouent également un rôle dans l'arthrose, une maladie partiellement héréditaire qui affecte au moins 250 millions dans le monde entier. Les résultats sont publiés dans la revue Cellule.
Terence D. Capellini, Richard B. Wolf, professeur agrégé au Département de biologie évolutive humaine et l'auteur correspondant de l'article, l'ont expliqué en termes de fardeau que nos genoux endurent littéralement:
D'un point de vue évolutif, le genou du primate est passé de quelque chose qui accommodait les forces de marcher sur quatre jambes à placer tout le poids sur deux jambes. Passer d'un quadrupède à un bipède modifie la répartition des forces.
Tout notre poids se transmet par nos hanches et nos genoux jusqu'à nos chevilles. Les cellules de l'articulation et la forme de l'articulation ont dû changer pour s'adapter à ces nouvelles forces. «
Terence D. Capellini, Richard B. Wolf Professeur agrégé, Département de biologie évolutive humaine
Avec une tâche aussi spécifique – et limitée par ses origines dans le genou primate plus âgé – le genou bipède optimisé a développé ce qui est connu comme une morphologie contrainte, c'est-à-dire qu'il ne permettait pas beaucoup de variation. « Comme vous pouvez l'imaginer, lorsque vous concevez une pièce pour un avion, vous ne voulez pas trop vous égarer », a déclaré Capellini.
Pour comprendre comment ce mécanisme complexe a vu le jour, les chercheurs ont cherché des preuves d'une sélection naturelle accélérée: la série de mutations qui nous a aidés à marcher debout.
« Nous voulions savoir si nous pouvions ou non voir des signes d'une évolution ancienne – une sélection ancienne – dans les régions du génome qui sculptent spécifiquement le genou », a déclaré Capellini. Pour ce faire, ils ont recherché des traces d'interrupteurs de régulation spécifiques, des morceaux d'ADN « responsables de l'activation et de la désactivation du matériel génétique qui font du genou un genou humain ».
Ce qu'ils ont trouvé reflète ce que Capellini suggère est indicatif de « sélection positive » – preuve que ce nouveau genou a donné aux bipèdes naissants un avantage évolutif. Les genoux les plus performants auraient été sélectionnés, réduisant la variation de la forme du genou au fil du temps en diminuant la variation génétique des commutateurs qui contrôlent la formation de l'articulation. Quelle variation persistait probablement n'avait pas d'importance à ce moment-là.
« Plus tard, à mesure que les populations humaines augmentent et dérivent, vous commencez à obtenir ces variantes génétiques qui modifient légèrement la forme du genou ou la façon dont le genou est maintenu », a expliqué Daniel Richard, Ph.D. candidat en biologie évolutive humaine et auteur principal de l'article. « Ces légères déviations, agissant sur ce genou contraint, conduisent à un risque de développer de l'arthrose. »
Ces traits n'ont pas affecté le succès du genou bipède, car la sélection naturelle favorise les traits qui permettent aux individus d'atteindre la maturité sexuelle et de se reproduire avec succès. En substance, parce que ce nouveau genou a donné aux jeunes adultes un avantage sur la transmission de leur matériel génétique, il a continué malgré ces variantes. Notre éventuelle vieillesse a eu peu de rôle dans sa sélection.
« Nous pensons que ces légères modifications n'ont pas tellement d'impact sur la petite enfance », a déclaré Richard. « Mais quand vous continuez à marcher jusqu'à ce que vous ayez 50 ou 60 ans, pendant cette période plus longue, un très petit changement dans vos composés du genou pendant des décennies. Finalement, il contribue à la maladie d'arthrose chez les personnes âgées. »
Pour preuve de principe, Capellini et ses collègues ont réalisé deux expériences supplémentaires.
En étudiant les genouillères chez les patients souffrant d'arthrose par rapport à la population générale, ils ont constaté que les patients souffrant d'arthrose ont en moyenne plus de variantes génétiques dans les interrupteurs que ceux qui n'ont pas la maladie.
Ils se sont également concentrés sur un gène appelé GDF5 (facteur de différenciation de croissance cinq) qui contribue au risque d'arthrose chez les Européens et les Asiatiques.
En utilisant l'édition CRISPR chez la souris et les cellules humaines, ils ont identifié une variante génétique, présente chez des milliards de personnes, qui affecte la fonction d'un interrupteur à genou clé, changeant ainsi la forme du genou et augmentant le risque d'arthrose.
La raideur et la douleur ressenties par les humains aujourd'hui, par conséquent, peuvent simplement avoir été associées à un avantage évolutif: l'arthrose est venue avec le genou.
Cependant, cette caractéristique douloureuse peut porter ses fruits dans l'étude de l'évolution humaine, soulignent les chercheurs.
« L'idée de lier de nouvelles fonctionnalités à des maladies presque nouvelles est un bon cadre mental à penser tout en étudiant ces maladies du vieillissement », a déclaré Richard. « Tu ne peux pas vraiment avoir ton gâteau et le manger aussi. »
La source:
Référence de la revue:
Richard, D., et al. (2020) Sélection évolutive et contrainte sur la régulation des chondrocytes du genou humain impacte le risque d'arthrose. Cellule. est ce que je.
