Quizás el avance más profundo en la evolución de los primates ocurrió hace unos 6 millones de años cuando nuestros ancestros comenzaron a caminar sobre dos piernas. Se cree que el cambio gradual a la locomoción bípeda hizo que los primates se adaptaran más a diversos entornos y liberaron sus manos para usar herramientas, lo que a su vez aceleró el desarrollo cognitivo. Con esos cambios, se preparó el escenario para los humanos modernos.
Los cambios genéticos que hicieron posible la transición de corretear con los nudillos en los grandes simios a caminar erguidos en los humanos ahora se han descubierto en un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Columbia y la Universidad de Texas.
Usando una combinación de aprendizaje profundo (una forma de inteligencia artificial) y estudios de asociación de todo el genoma, los investigadores crearon el primer mapa de las regiones genómicas responsables de los cambios esqueléticos en primates que llevaron a caminar erguido. El mapa revela que los genes que subyacen a las transiciones anatómicas observadas en el registro fósil fueron fuertemente afectados por la selección natural y dieron a los primeros humanos una ventaja evolutiva.
« En un nivel más práctico, también hemos identificado variantes genéticas y características esqueléticas que están asociadas con la artritis de cadera, rodilla y espalda, las principales causas de discapacidad en adultos en los Estados Unidos », dice Tarjinder Singh, PhD, profesor asistente de genómica computacional y estadística (en psiquiatría) en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia y codirector del estudio.
Por ejemplo, ligeras desviaciones de la proporción promedio entre el ancho y la altura de la cadera se asociaron con un mayor riesgo de artrosis de cadera, mientras que ligeras desviaciones en el ángulo tibia-fémur se asociaron con un mayor riesgo de artrosis de rodilla. Estos conocimientos podrían ayudar a los investigadores a idear nuevas formas de prevenir y tratar estas condiciones debilitantes.
Los hallazgos fueron publicados el 21 de julio en Science. El estudio fue codirigido por Vagheesh M. Narasimhan, PhD, profesor asistente de biología integradora y de estadísticas y ciencias de datos en la Universidad de Texas en Austin.
Nuevas técnicas desplegadas
Los investigadores aplicaron el aprendizaje profundo para analizar más de 30 000 radiografías de cuerpo completo del Biobanco del Reino Unido. El aprendizaje profundo, una tecnología modelada a partir de las redes neuronales del cerebro, entrena a las computadoras para que hagan lo que les resulta natural a los humanos, como conducir un automóvil o traducir idiomas. En este caso, la técnica se utilizó para estandarizar las radiografías, eliminar cualquier imagen con problemas de calidad y luego medir con precisión docenas de características esqueléticas, tareas que a los investigadores les habría llevado meses, si no años, completar.
A continuación, los investigadores escanearon el genoma humano para identificar regiones cromosómicas asociadas con variaciones en 23 medidas esqueléticas clave, como el ancho de los hombros, la longitud del torso y el ángulo entre la tibia y el fémur. (Estos escaneos, llamados estudios de asociación de todo el genoma, involucran estudiar los genomas de grandes grupos de personas, en busca de variantes genómicas que ocurren con más frecuencia en aquellos con una enfermedad o rasgo específico en comparación con aquellos sin la enfermedad o el rasgo). Este proceso reveló 145 regiones asociadas con genes que regulan el desarrollo esquelético. Solo un puñado de estos loci se conocían a partir de estudios previos.
Muchas de las 145 regiones se superpusieron con regiones « aceleradas » del genoma humano, que han evolucionado rápidamente durante eones en comparación con las mismas regiones en los grandes simios. Por el contrario, se encontraron pocos genes asociados con el corazón, el sistema inmunitario, el metabolismo y otros rasgos en las regiones aceleradas.
« Lo que estamos viendo es la primera evidencia genómica de que hubo una presión selectiva sobre las variantes genéticas que afectan las proporciones esqueléticas, lo que permitió una transición de caminar con los nudillos al bipedalismo », dice Narasimhan.
El estudio también muestra el poder de combinar datos de biobancos a gran escala, aprendizaje automático y genómica para ayudarnos a comprender la salud y las enfermedades humanas. Singh, quien se unió a Columbia en 2022, ahora aplica estas técnicas para comprender las causas de las enfermedades mentales.