Investigadores de la Universidad de Harvard han conectado la evolución de la rodilla humana con el desarrollo de la osteoartritis. Un reciente estudio, publicado en Cell analiza la evolución de la rodilla desde una perspectiva genética y plantea que recientes cambios genéticos que afectan ligeramente a la forma de la rodilla contribuyen a los factores de riesgo que causan artritis en esta articulación.
A diferencia de sus antecesores homínidos, los humanos modernos permanecemos erguidos y caminamos sobre dos extremidades, lo que se conoce como bipedación. La evolución hasta adquirir esta característica humana, modelada por la selección natural, tuvo que implicar diferentes cambios anatómicos para adaptar el desplazamiento del peso. Una de las estructuras más afectadas fue la rodilla, que pasó a soportar gran parte del peso del organismo.
“Desde un punto de vista evolutivo la rodilla de los primates pasó de acomodar las fuerzas de andar a cuatro patas a desplazar todo el peso en dos piernas”, destaca Terence D. Capellini, investigador en el Departamento de Biología Evolutiva Humana. “Pasar de cuadrupedia a bipedia cambia la distribución de fuerzas. Todo nuestro peso está siendo transmitido a través de nuestras caderas y nuestras rodillas hacia nuestros tobillos. Las células en la articulación y la forma de la articulación tuvieron que cambiar para adaptarse a esas nuevas fuerzas”.
Los condrocitos, las células del cartílago, tienen un papel crítico en el desarrollo prenatal y postnatal de la rodilla, por lo que los investigadores se plantearon si cambios en la regulación de sus genes podían haber intervenido en la evolución de la rodilla.
Para probar su hipótesis el equipo evaluó la accesibilidad a la cromatina en condrocitos humanos y de ratón durante el desarrollo de la rodilla. La idea es que cuanto más abierta o accesible es la estructura de la cromatina, mayor acceso tiene la maquinaria proteica al ADN para regular su actividad. A continuación, a partir de las regiones más accesibles del ADN identificadas los investigadores pudieron localizar elementos genéticos reguladores importantes en la formación de la rodilla.
Al estudiar el contexto evolutivo, los investigadores encontraron que los elementos reguladores implicados en el desarrollo de los condrocitos de la rodilla mostraban huellas de una selección ocurrida durante la evolución de primates y homínidos. Los resultados, además, apuntaban a la existencia de una serie de modificaciones adaptativas en la formación de la rodilla humana.
A partir de los análisis y realizados, los investigadores han planteado un modelo que explica cómo ocurrió la evolución de la rodilla humana y su relación con la osteoartritis. El equipo propone un escenario con fuertes limitaciones morfológicas, en el que los elementos genéticos reguladores implicados en la formación de la rodilla no admitían cambios que afectaran a la eficacia biológica o a la capacidad de bipedación. En esta situación, la aparición de cualquier cambio que comprometiera su función sería seleccionada en contra.
La osteoartritis es un trastorno común asociado al envejecimiento. Se produce cuando el cartílago que protege los huesos en las articulaciones se rompe y desgasta.
Dentro de los diferentes factores que intervienen en la osteoartritis de la rodilla, los factores genéticos tienen un papel relevante. Los estudios genéticos poblacionales indican que cerca de 80 regiones del genoma relacionadas con la aparición de la osteoartritis se localizan en regiones reguladoras. Además, lo hacen de forma preferente cerca de genes implicados en el desarrollo de los condrocitos y del tejido óseo.
El equipo de investigadores plantea que la osteoartritis podría ser una especie de subproducto de la evolución de la rodilla. Siguiendo con su modelo evolutivo, en el que inicialmente habría habido un programa genético muy estricto que admitía pocos cambios, los investigadores señalan que, más recientemente, diferentes factores, como la deriva genética o la selección de otras características, llevaron a que aumentara el número de cambios tolerables en las regiones genéticas reguladoras de la formación de la rodilla.
“Conforme las poblaciones humanas se expandieron y mezclaron, empiezan a ocurrir variantes genéticas que modifican ligeramente cómo está formada la rodilla o cómo se mantiene”, destaca Daniel Richard, investigador de biología evolutiva humana y primer autor del trabajo. Richard señala que esas ligeras desviaciones, que actúan sobre una rodilla estructuralmente muy restringida, llevan a un aumento en el riesgo a desarrollar osteoartritis.
La clave para que se mantuvieran esos cambios, relacionados con la osteoartritis, es que no afectan al desarrollo temprano de la rodilla ni a la eficacia biológica de las personas cuando son jóvenes. La osteoartritis no afecta, en principio, a la capacidad reproductiva, ya que suele aparecer años después del periodo reproductivo.
El modelo evolutivo se ve apoyado por la comparación del genoma entre personas con osteoartritis y controles sanos. Los investigadores han observado que los pacientes con osteoartritis tienen, de media, un mayor número de variantes genéticas en las regiones genéticas reguladoras de los genes que intervienen en la formación de la rodilla, respecto a la población general.
Por último, el equipo ha demostrado en un modelo en ratón, que una variante localizada en una región intensificadora de la expresión de GDF5 influye en la regulación de la formación de la rodilla y contribuye a la susceptibilidad a la osteoartritis. GDF5 codifica para un factor de transcripción implicado en el desarrollo de la rodilla.
Los resultados del trabajo proporcionan información detallada de los elementos genéticos relacionados con la formación de la rodilla. Además, han servido para proponer un modelo evolutivo sobre cómo tuvo lugar, a nivel genético, la adaptación de la rodilla a la bipedación. Este modelo describe cómo tras un periodo de importantes limitaciones a la variación genética destinadas a favorecer la estructura morfológica más óptima, la aparición de cambios tolerables en el desarrollo y primeras etapas de la vida puede haber llevado al aumento en la vulnerabilidad genética a tener osteoartritis.
El modelo evolutivo elaborado constituye un ejemplo de cómo pueden emerger enfermedades complejas en paralelo o posteriormente a otras adaptaciones humanas. Los investigadores confían en que modelos animales de estudio más avanzados puedan proporcionar “herramientas efectivas y realistas para probar tratamientos para la osteoartritis en el contexto de los factores de riesgo genéticos y no genéticos”.
Referencia: Richard D, et al. Evolutionary Selection and Constraint on Human Knee Chondrocyte Regulation Impacts Osteoarthritis Risk. Cell. 2020. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.057
Fuente: A flawed masterpiece. https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/04/human-knee-evolved-in-lockstep-with-osteoarthritis-harvard-study-says/
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