Найдены новые генетические факторы пигментации кожи у африканских народов

Цвет человеческой кожи, волос и глаз определяется пигментами-меланинами — черными или коричневыми эумеланинами, желтыми или красноватыми феомеланинами. Они защищают от повреждающего действия ультрафиолетовых лучей. Генетические основы пигментации кожи сложны и многообразны. Их неоднократно исследовали методом полногеномного поиска ассоциаций (GWAS), но в этих исследованиях были слабо представлены жители Африки и таким образом не охвачено все многообразие человеческих фенотипов.

Авторы статьи в Nature Genetics использовали функциональную геномику для выявления новых регуляторных вариантов и генов, которые влияют на пигментацию кожи у африканских народов. Жители «колыбели человечества» сильно отличаются между собой по интенсивности пигментации. Среди древних и сравнительно изолированных друг от друга народов Африки есть как «рекордсмены» с самой темной кожей на Земле, так и намного более светлые — в особенности бушмены (народы сан) и другие койсаноговорящие африканцы. Они населяют южную часть континента: Ботсвану, Намибию, Анголу, Замбию, Зимбабве и Лесото.

Исследователи провели GWAS для цвета кожи у коренного населения Африки. Они использовали данные о 1544 индивидах родом из Восточной и Южной Африки — жителях Эфиопии, Танзании и Ботсваны и отдельно рассматривали 500 человек из Ботсваны. На основе двух датасетов выделили однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), ассоциированные с цветом кожи. Кроме того, авторы получили набор SNP, имеющих значительные различия по частоте встречаемости у светлокожих бушменов и более темных африканцев. Чтобы идентифицировать варианты, которые могут влиять на активность энхансеров, отобрали 1157 наиболее значимых SNP из всех трех наборов, которые находились в областях открытого хроматина в культивируемых клетках, полученных из меланоцитов.

Для 1157 кандидатных вариантов провели массовый параллельный репортерный анализ (MPRA) — с помощью лентивирусов внедряли их в две линии клеток меланомы, сильно пигментированные MNT-1 и слабо пигментированные WM88. В трансформированных клетках анализировали потенциальные регуляторные участки и открытые области хроматина, для клеток MNT-1 также построили карту взаимодействий хроматина с белками.

В итоге выделили 106 функциональных вариантов для MNT-1 и 104 — для WM88, причем 45 были общими для обеих линий, иными словами, всего 165 вариантов. Из этих потенциальных регуляторов активности энхансеров 77 различались по встречаемости у бушменов и других африканцев.

С помощью люциферазного репортерного анализа, Hi-C и CRISPR-ингибирования авторы идентифицировали гены-мишени, на активность которых влияют найденные полиморфизмы — MFSD12, HMG20B, OCA2, MITF, LEF1, TRPS1, BLOC1S6 и CYB561A3. Все они так или иначе участвуют в продукции меланина в клетках кожи in vitro и определяют пигментацию. MFSD12 нужен для переноса цистеина между органеллами и цитоплазмой и влияет на концентрацию меланина в меланоцитах; HMG20B имеет общие с MFSD12 механизмы регуляции активности промоторов и также определяет цвет кожи африканцев. OCA2 известен как ген, мутации в котором вызывает альбинизм II типа; в его энхансере ранее был найден SNP, ассоциированный с голубым цветом глаз у европейцев. MITF — главный регулятор дифференциации и пролиферации меланоцитов; LEF1 — фактор транскрипции, который регулирует экспрессию MITF и TYR (ген тирозиназы, фермента, который участвует в синтезе меланина); локус TRPS1 ассоциирован с развитием солнечных ожогов и загаром; а инактивирующие мутации в BLOC1S6 уменьшают пигментацию шерсти у мышей.

Выявлен и совершенно новый участник регуляции меланогенеза — CYB561A3 (представитель семейства цитохрома B561), аскорбатзависимая ферроредуктаза, которая локализована на мембране лизосом и активно экспрессируется в меланоцитах. CYB561A3 влияет на работу генов, участвующих в окислительном фосфорилировании и синтезе меланина.

Мутации в энхансере гена OCA2 неоднократно происходили у Homo sapiens и его предков, причем появление одной из таких мутаций совпадает по времени с миграцией людей современного типа за пределы Африки. Авторы предполагают, что эволюция этого энхансера внесла значительный вклад в разнообразие цвета кожи людей.

В энхансерах MITF, LEF1 и TRPS1 также отмечены сигналы локальной адаптации, связанные с более светлым оттенком кожи у койсанских народов Африки. Известно, что все три гена играют важную роль в работе сигнального пути Wnt, который регулирует развитие меланоцитов и роста волос. Поэтому полиморфизмы в их энхансерах могут не только способствовать более светлому оттенку кожи бушменов, но и влиять на уникальное строение их волос — очень кудрявых, образующих спирально завитые пучки.

Примечательно, что подавляющее большинство выявленных SNP (свыше 98%) приходится на некодирующие области ДНК. При этом, например, rs6510760 находится в энхансере, регулирующем MFSD12 и HMG20B; rs6497271 — в энхансере для OCA2 и HERC2; а rs7948623 — в энхансере, регулирующим CYB561A3 и TMEM138 и в меньшей степени DDB1. Таким образом, один и тот же вариант может изменять работу целого ряда генов (иметь плейотропный эффект). Это еще раз подтверждает как сложность метаболических путей в основе меланогенеза, так и сложность их регуляции на уровне генома.