Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí khoa học Nature, sự suy giảm các phân tử glycosaminoglycan (GAG) trong sụn khớp có thể là một trong những yếu tố khiến con người dễ mắc các bệnh lý xương khớp khi tuổi cao. Đáng chú ý, các phân tử này còn tham gia điều hòa kết nối thần kinh, qua đó có thể góp phần tạo nên sự khác biệt trong quá trình phát triển bộ não giữa con người và các loài linh trưởng gần gũi. Nghiên cứu do Tiến sĩ David Gokhman thuộc Viện Khoa học Weizmann (Israel) và Tiến sĩ Fumitaka Inoue thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) đồng chủ trì, với sự tham gia của các nhà khoa học thuộc Viện Sinh học Tiến hóa tại Barcelona (Tây Ban Nha).

Theo ông Gokhman, hồ sơ hóa thạch cho thấy tổ tiên loài người từng mắc các bệnh như thoái hóa khớp, thoái hóa đĩa đệm và thoát vị đĩa đệm. Những tình trạng này ít phổ biến hơn ở các loài vượn lớn khác, kể cả những cá thể sống đến tuổi già. Ông nhận định một số thay đổi trong quá trình tiến hóa có thể đã làm giảm khả năng hấp thụ lực tác động của khớp ở người, nhưng đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của bộ não.

Để tìm hiểu nguyên nhân, nhóm nghiên cứu so sánh mẫu mô khớp của người với các loài vượn lớn, đồng thời phân tích những khác biệt trong hệ gene. Kết quả cho thấy thành phần cấu tạo khớp của đười ươi, gorilla và tinh tinh nhìn chung ít thay đổi trong hàng triệu năm. Ngược lại, hệ xương khớp của con người trải qua những biến đổi đáng kể. Dù gorilla và tinh tinh đã tách thành hai nhánh tiến hóa khoảng 8 triệu năm trước, thành phần khớp của các loài vượn lớn vẫn tương đối giống nhau. Trong khi đó, con người có những đặc điểm khác biệt rõ rệt.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật phân tích hệ gene tiên tiến, xây dựng bản đồ chức năng trên phạm vi toàn bộ hệ gene nhằm xác định những yếu tố điều hòa hoạt động gene đã thay đổi trong quá trình tiến hóa. Các nhà khoa học lập bản đồ khoảng 500.000 biến đổi tại từng vị trí nucleotide trong ADN, qua đó xác định những khác biệt giữa người và tinh tinh. Phần lớn các biến đổi này có rất ít hoặc không có tác động đáng kể đến chức năng của hệ gene. Nhóm nghiên cứu sau đó tập trung vào một số ít biến đổi có khả năng làm thay đổi hoạt động gene trong quá trình phát triển hệ xương. Kết quả dẫn các nhà khoa học đến nhóm gene liên quan đến quá trình sản xuất GAG, những phân tử giữ vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của sụn khớp.

Để kiểm chứng phát hiện, nhóm nghiên cứu tạo ra các tế bào lai mang nhiễm sắc thể của người và vượn lớn, cho phép so sánh trực tiếp hoạt động của các gene trong cùng một môi trường tế bào. Các tế bào gốc lai sau đó được phát triển thành tế bào thuộc hệ xương, giúp làm rõ sự khác biệt trong hoạt động gene giữa người với tinh tinh hoặc gorilla. Nhóm nghiên cứu cũng phân tích trực tiếp các mẫu mô khớp của người và những loài vượn lớn để đối chiếu kết quả. Theo ông Gokhman, các thử nghiệm cho thấy con đường sinh học liên quan đến sản xuất GAG hoạt động yếu hơn rõ rệt ở người hiện đại.

GAG là thành phần giúp sụn khớp hấp thụ lực tác động. Vì vậy, sự suy giảm các phân tử này có thể khiến khớp giảm khả năng chống chịu với áp lực cơ học, góp phần làm tăng nguy cơ thoái hóa. Những kết quả trên cũng đặt ra câu hỏi đối với các nhà khoa học: Vì sao một biến đổi có thể khiến hệ xương dễ mắc bệnh hơn lại được duy trì trong quá trình tiến hóa của con người?

Theo nhóm nghiên cứu, GAG không chỉ có chức năng trong hệ xương mà còn tham gia vào hoạt động của não bộ. Ở các loài linh trưởng, những phân tử này góp phần củng cố các kết nối thần kinh, khiến chúng dần trở nên ổn định và ít linh hoạt hơn trong quá trình trưởng thành. Trong khi đó, sự suy giảm GAG ở người có thể giúp các kết nối thần kinh duy trì khả năng thay đổi trong thời gian dài hơn.

Đặc điểm này liên quan đến tính mềm dẻo thần kinh, tức khả năng não bộ điều chỉnh các kết nối, tiếp nhận thông tin và thích nghi thông qua học tập, trải nghiệm. Ông Gokhman cho rằng khả năng tiếp tục học hỏi ở độ tuổi trưởng thành là một lợi thế quan trọng của con người. Tuy nhiên, những thay đổi sinh học góp phần duy trì đặc điểm này cũng có thể khiến hệ xương khớp dễ bị thoái hóa hơn. Theo cách lý giải của nhóm nghiên cứu, đây có thể là một sự đánh đổi trong quá trình tiến hóa: những biến đổi mang lại lợi ích đối với hoạt động của bộ não đồng thời tạo ra bất lợi đối với khả năng bảo vệ khớp.

Tiến sĩ Genevieve Housman, trưởng nhóm nghiên cứu hệ gene xương tại Viện Nhân chủng học Tiến hóa Max Planck (Đức), người không tham gia nghiên cứu, đánh giá đây là cách tiếp cận sáng tạo nhằm tìm hiểu cơ chế phân tử của quá trình tiến hóa hệ xương ở người. Tuy nhiên, bà cho rằng cần tiếp tục kiểm tra hoạt động của các yếu tố điều hòa gene trong điều kiện khớp chịu tác động cơ học thực tế. Những nghiên cứu như vậy có thể giúp làm rõ hơn nguyên nhân khiến một số người gặp vấn đề xương khớp khi tuổi cao.

Các nhà khoa học kỳ vọng phát hiện này sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới về cơ chế hình thành và điều trị các bệnh khớp phổ biến, đặc biệt là thoái hóa khớp. Đây là bệnh lý ảnh hưởng đến hàng trăm triệu người trên thế giới, gây hạn chế vận động và suy giảm chất lượng cuộc sống.