Почти 170 генов определяют цвет волос, кожи и глаз
Человеческая кожа, волосы и глаза бывают самых разных цветов, но до сих пор ученым была известна лишь часть генетического разнообразия, определяющего эту вариацию. Теперь новое исследование находит многие десятки генов, которые могут производить такое широкое разнообразие.
В ходе полногеномного скрининга исследователи выявили 169 генов, которые, вероятно, участвуют в пигментации человека, в том числе 135, которые ранее не играли роли. Авторы исследования сообщили, что из-за широкого распространения пигментов в организме человека некоторые из этих генов могут быть вовлечены в такие заболевания, как меланома рака кожи и даже болезнь Паркинсона, которая поражает пигментированные клетки в области мозга, важной для движения.
«Пигментация сама по себе интересна как в контексте человеческих вариаций и эволюции, так и в контексте болезней», — сказала руководитель исследования Джоанна Высоцкая, биолог развития из Стэнфордского университета и Медицинского института Говарда Хьюза.
Люди получают цвет кожи, глаз и волос от пигмента под названием меланин, который имеет коричнево-черную форму, называемую эумеланином, и желто-красную форму, называемую феомеланин. То, сколько выражено каждого типа меланина и в каком балансе, определяет, будут ли у кого-то, например, угольно-черные волосы или огненно-рыжие пряди, и то же самое касается тона кожи и цвета глаз. (Чем больше меланина в глазах, тем они темнее. У голубоглазых меланин отсутствует в радужной оболочке, а у зеленоглазых он содержится только в одном слое.)
По словам Высоцкой, клетки, называемые меланоцитами, производят меланин, но разница между людьми с темными и светлыми чертами лица заключается не в количестве меланоцитов, а в том, сколько меланина производят эти меланоциты.
Предыдущие исследования выявили некоторые гены, отвечающие за созревание меланоцитов и выработку меланина, но этого достаточно, чтобы объяснить от 23% до 35% различий в цвете кожи человека, написала Высоцкая и ее команда в журнале Science. Чтобы выяснить, какие другие гены могут способствовать пигментации человека, исследователи провели исследование всего генома.
Во-первых, им нужно было дифференцировать меланоциты с высоким и низким содержанием меланина. Для этого они отсортировали клетки в лабораторных чашках, используя светорассеивающие свойства меланина, которые описывают поведение света при попадании на пигмент. Этот новый метод, который включает в себя освещение флуоресцентным светом клеток, протекающих через канал, эффективно сортировал как клетки меланоцитов человека, так и клетки меланомы, раковую версию меланоцитов, по их уровню меланина.
Затем исследователи использовали технологию редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы систематически проникать в клетки и мутировать каждый ген, по одному за раз. Если сломанный ген был связан с выработкой меланина или созреванием меланоцитов, рассуждала команда, уровень пигмента в меланоците упадет, а затем будет обнаружен инструментом сортировки.
Этот метод вернул список из 169 генов, уровни активности которых исследователи затем проверили в реальных человеческих тканях — в данном случае в образцах крайней плоти младенцев, пожертвованных после обрезания. Они обнаружили, что почти 70% генов были более активны у детей с более темным оттенком кожи, чем у детей со светлым оттенком кожи.
По словам Высоцкой, не каждый ген обязательно управляет производством меланина. В то время как одни определяют, как созревают меланоциты и сколько они производят пигмента, другие, вероятно, вовлечены более периферическим образом.
Гены в основном подразделялись на две категории: одна группа помогала регулировать гены, а другая влияла на перенос эндосом. Эндосомы — это крошечные транспортные пакеты внутри клеток, которые перемещают материалы. Исследователи внимательно проанализировали по одному гену из каждой группы и обнаружили, что один из них участвует в созревании меланосом, крошечных клеточных органов, которые вырабатывают и хранят пигмент в меланоцитах. Другой регулирует рН меланосом, гарантируя, что ферменты, которые соединяют пигменты, могут функционировать должным образом, сказал Высоцкая.
Меланин не только декоративный; защищает кожу и глаза от солнечных лучей. Он также проявляется в мозге в структуре, называемой черной субстанцией, название которой означает «черное вещество». Высокое содержание меланина в структуре защищает клетки от реактивных молекул, но при болезни Паркинсона клетки черной субстанции отмирают, и, таким образом, уровень меланина снижается.
«Интересный вопрос, будут ли некоторые из этих путей, которые мы идентифицировали в меланоцитах, также важны для нейропротекции в головном мозге», — сказал Высоцкая.