Исследование показало, что 169 генов определяют цвет кожи, волос и глаз
Волосы, глаза и кожа человека 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 цветов.
В ходе полногеномного скрининга исследователи выявили 169 генов, которые участвуют в пигментации у человека, в том числе 135, которые ранее были не известны.
Авторы исследования сообщили, что из-за широкого распространения пигментов в организме человека некоторые из этих генов могут быть вовлечены в такие заболевания, как меланома 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». — Джоанна Высоцка, биолог Стэнфордского университета, автор исследования.
Разнообразие цветов
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 ученых, клетки, называемые меланоцитами, производят меланин, но разница между людьми с темными и светлыми чертами 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 было достаточно, чтобы объяснить от 23% до 35% различий в цвете кожи человека. Чтобы выяснить, какие другие гены могут способствовать пигментации человека, ученые провели исследование всего генома.
Для начала 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 ген был связан с выработкой меланина или созреванием меланоцитов, то уровень пигмента в меланоците должен упасть, а затем будет обнаружен инструментом сортировки.
Этот метод вернул список из 169 генов, уровни активности которых исследователи затем проверили в реальных человеческих тканях. Они обнаружили, что почти 70% генов были более активны у людей с более темным оттенком кожи, чем со светлым.
Меланин представляет собой гетерогенный полимер, встречающийся у разных форм жизни и играющий роль в пигментации, адаптации к окружающей среде и выживании видов. У людей синтез меланина разделен внутри субклеточной органеллы, называемой меланосомой, которая присутствует в специализированных пигментных клетках, называемых меланоцитами. Вариабельный синтез меланина в меланосомах приводит к изменению цвета кожи, волос и глаз в человеческих популяциях, тогда как нарушения меланогенеза связаны с заболеваниями.
Защитные пигменты
По словам ученых, 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 помогает регулировать гены, а другая влияет 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.
Меланин не только дает цвет; он защищает кожу и глаза от солнечных лучей. Он также проявляется в мозге в структуре, называемой черной субстанцией или «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.
Исследование было опубликовано в журнале Science.