GENETIKA PIGMENTACE ČLOVĚKA – KOMPLEXNÍ Záhada
Biochemii eumelaninu a feomelaninu charakterizoval Prota a jeho kolegové v posledních několika desetiletích, ale většina poznatků o genetice pigmentace pochází z molekulárně genetických studií vzácných pigmentových defektů u člověka a modelových systémů, jako je Mus musculus (myš domácí) a Drosophila melanogaster (běžná ovocná muška). Lidské rodokmenové studie z poloviny sedmdesátých let naznačily, že barevná variabilita duhovky je funkcí dvou lokusů: jednoho lokusu zodpovědného za depigmentaci duhovky, který neovlivňuje kůži ani vlasy, a dalšího pleiotropního genu pro redukci pigmentu ve všech tkáních (Brues 1975). Například pitva znaku okulokutánního albinismu (OCA) u lidí ukázala, že mnoho pigmentových defektů je způsobeno lézemi v genu TYR, což vedlo k jejich označení jako tyrozináza (TYR) negativní OCA (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; viz databáze albinismu, v době psaní tohoto článku umístěná na www.cbc.umn.edu/tad/). Ve skutečnosti existují více než dvě desítky genových produktů (podle některých autorů až 40 produktů), o nichž se předpokládá, že se podílejí na produkci, distribuci a metabolismu lidského melaninu. Tyto produkty fungují na úrovni dostupnosti substrátu (hladiny tyrosinu a DOPA), transkripce genových produktů, ukládání, interakcí receptor-ligand zapojených do signálních transdukčních drah a migračního chování melanosomů (viz obrázek 9-1).
Protože TYR je přítomen jak v eumelanosomech, tak ve feomelanosomech a katalyzuje rychlost limitující krok biosyntézy melaninu, je zajímavé, že míra pigmentace lidských duhovek, kůže a vlasů dobře koreluje s amplitudou hladin zpráv TYR (Lindsey et al. 2001). V eumelanosomech jsou přítomny i další proteiny podobné TYR, včetně TYRP1 a DCT, které ve feomelanocytech chybí a o nichž se předpokládá, že se podílejí na produkci eumelaninu, ale ne feomelaninu (viz obrázek 9-1). Produkt genu OCA2 je přítomen v obou typech melanosomů a předpokládá se, že je nezbytný pro vytvoření správných podmínek pH v lumen melanosomu (Ancans et al. 2001; Puri et al. 2000). MC1R kóduje sedmiprůchodový transmembránový receptor vázaný na G-protein, který interaguje s peptidovými hormony odvozenými od proopiomelanokortinu (POMC), včetně α-melanocyty stimulujícího hormonu (αMSH) a adrenokortikotropního hormonu (ACTH). Předpokládá se, že po navázání peptidového hormonu reguluje MC1R přepínání eumelanogeneze a feomelanogeneze zprostředkované pH změnou hladin cAMP (více o tom později). Předpokládá se, že keratinocyty, které absorbují melanosomy, se zapojují do zpětnovazební komunikace prostřednictvím produkce těchto peptidových hormonů.
Transkripce a nakonec i exprese každého z těchto genů je pod kontrolou transkripčního faktoru MITF (microphthalmia-associated transcription factor) a transport melanosomů podél dendritických procesů je zprostředkován myosiny, jako jsou MYO5A (myosin 5A) a AP3D1 (beta-adaptin 3D1).
Přestože výzkum pigmentových mutantů jasně ukázal, že malá podskupina genů je z velké části zodpovědná za katastrofické defekty pigmentace u myší a člověka (okulokutánní albinismus neboli OCA), donedávna nebylo jasné, zda a jak běžné jednonukleotidové polymorfismy (SNP) v těchto genech přispívají k přirozené variabilitě eumelaninu/feomelaninu a pigmentačních fenotypů (nebo jak s nimi souvisejí). Raný genetický výzkum lidské pigmentace se zaměřil na skenování vazeb a metody asociace kandidátních genů. Například u barvy duhovky byl lokus hnědé duhovky lokalizován do intervalu obsahujícího geny OCA2 a MYO5A (Eiberg & Mohr 1996) a u barvy vlasů bylo prokázáno, že specifické polymorfismy v genu MC1R jsou spojeny s červenými vlasy a modrou barvou duhovky v relativně izolovaných populacích (Flanagan et al. 2000; Koppula et al. 1997; Robbins et al. 1993; Schioth et al. 1999; Smith et al. 1998; Valverde et al. 1995). Uvádí se, že polymorfismus ASIP je spojen s hnědou barvou duhovky i vlasů (Kanetsky et al. 2002).
Penetrance každé z těchto alel se však zdá být nízká a obecně se zdá, že vysvětlují jen velmi malou část celkové variability barev duhovky v rámci lidské populace (Spritz et al. 1995). Až donedávna totiž studie jednotlivých genů neposkytovaly solidní základ pro pochopení komplexní genetiky jakéhokoli lidského pigmentového znaku. Protože většina lidských znaků má komplexní genetický původ a je kvalitativně i kvantitativně složitá (přičemž celky jsou často větší než součet jejich částí), jsou zapotřebí inovativní návrhy studií založené na genomice a analytické metody pro screening genetických dat in silico, které respektují genetickou složitost – například multifaktoriální a/nebo fázové známé složky dominance a epistatické genetické variability. Prvním krokem je však definovat komplement lokusů, které na sekvenční úrovni vysvětlují variabilitu v hodnotě znaku, a z nich bude nejsnazší najít ty, které tak činí v marginálním nebo penetrantním smyslu.
Hojnost kandidátů na pigmentační geny ze studií myších a lidských albínských mutantů poskytuje výchozí bod, z něhož můžeme začít pitvat variabilitu přirozených pigmentačních fenotypů. Studie zaměřené na tyto geny však až donedávna nepřinášely mnoho ovoce a spíše zdůrazňovaly složitost tohoto znaku a rozdíly v mechanismu v různých tkáních, než aby poskytovaly jednoduché a snadno pochopitelné dílky skládačky, které by se daly obecně použít. Například ačkoli je TYR rychlost limitujícím krokem v produkci melaninu, složitost fenotypů OCA ukázala, že TYR není jediným genem zapojeným do pigmentace (Lee et al. 1994). Ačkoli většina pacientů s OCA negativním TYR je zcela depigmentovaná, myši albíni s tmavou duhovkou (C44H) a jejich lidské okulokutánní protějšky typu IB vykazují nedostatek pigmentu ve všech tkáních kromě duhovky (Schmidt & Beermann 1994). Studium řady dalších fenotypů OCA pozitivních na TYR ukázalo, že vedle TYR se na jejich vzniku podílí také okulokutánní protein 2 (OCA2) (Durham-Pierre et al. 1994, 1996; Gardner et al. 1992; Hamabe et al. 1991), protein podobný tyrozináze (TYRP1) (Abbott et al. 1991; Boissy et al. 1996; Chintamaneni et al. 1991), melanokortinového receptoru (MC1R) (Flanagan et al. 2000; Robbins et al. 1993; Smith et al. 1998) a lokusů adaptinu 3B (AP3B1) (Ooi et al. 1997), jakož i dalších genů (přehled Sturm et al. 2001) jsou nezbytné pro normální pigmentaci lidské duhovky.
Stejně složitá je situace u pigmentace vlasů a kůže. Pro každý z těchto tří typů tkání napříč širokou škálou savců jsou analogy TYR centrálně důležité, ale pigmentace u zvířat není jednoduše mendelovskou funkcí TYR nebo jakéhokoli jiného proteinového produktu nebo genové sekvence. Ve skutečnosti studium genetiky přenosu pigmentačních znaků u člověka a různých modelových systémů naznačuje, že variabilní pigmentace je funkcí více dědičných faktorů, jejichž interakce se zdají být poměrně složité (Akey et al. 2001; Bito et al. 1997; Box et al. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm et al. 2001). Například na rozdíl od barvy lidských vlasů (Sturm et al. 2001) se zdá, že pro určování barvy duhovky savců existuje pouze malá dominantní složka (Brauer & Chopra 1978) a mezi barvou kůže, vlasů a duhovky existuje minimální korelace v rámci jedné populace nebo mezi jednotlivci dané populace. Naproti tomu porovnání mezi populacemi vykazuje dobrou shodu; populace s tmavší průměrnou barvou duhovky mají také tendenci vykazovat tmavší průměrné odstíny kůže a srsti.
Tato pozorování naznačují, že genetické determinanty pro pigmentaci v různých tkáních jsou odlišné a že tyto determinanty podléhaly společnému souboru systematických a evolučních sil, které formovaly jejich distribuci ve světových populacích. U drozofily byly defekty pigmentace duhovky přisuzovány mutacím ve více než 85 lokusech přispívajících k různým buněčným procesům v melanocytech (Lloyd et al. 1998; Ooi et al. 1997), ale studie na myších naznačily, že pigmentaci u obratlovců přednostně ovlivňuje asi 14 genů (přehled v Strum 2001) a že nesourodé oblasti genů TYR a dalších genů OCA jsou funkčně odlišné pro určení pigmentace v různých tkáních.
.