GENETIkken af menneskelig pigmentering – et komplekst puslespil

Eumelanin og pheomelanin er blevet karakteriseret af Prota og hans kolleger i løbet af de sidste årtier, men det meste af det, vi har lært om pigmenteringens genetik, stammer fra molekylærgenetiske undersøgelser af sjældne pigmenteringsdefekter hos mennesker og modelsystemer som Mus musculus (husmus) og Drosophila melanogaster (almindelig frugtflue). Undersøgelser af stamtavler på mennesker i midten af halvfjerdserne tydede på, at irisfarvevariationen er en funktion af to loci: et enkelt locus, der er ansvarlig for depigmentering af iris, som ikke påvirker hud eller hår, og et andet pleiotropisk gen for reduktion af pigment i alle væv (Brues 1975). For eksempel har dissektion af træk af oculokutan albinisme (OCA) hos mennesker vist, at mange pigmenteringsdefekter skyldes læsioner i TYR-genet, hvilket har resulteret i deres betegnelse som tyrosinase (TYR) negative OCA’er (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; se Albinism-databasen, som i skrivende stund befinder sig på www.cbc.umn.edu/tad/). Der er faktisk mere end to dusin genprodukter (ifølge nogle forfattere op til 40 produkter), som menes at være involveret i produktion, distribution og metabolisme af menneskelig melanin. Disse produkter fungerer på niveauet for substrattilgængelighed (tyrosin- og DOPA-niveauer), transkription af genprodukterne, aflejring, receptor-ligand-interaktioner, der er involveret i signaltransduktionsvejene, og melanosomernes migrerende adfærd (se figur 9-1).

Da TYR er til stede i både eumelanosomer og phaeomelanosomer og katalyserer det hastighedsbegrænsende trin i melaninbiosyntesen, er det af en vis interesse, at graden af pigmentering af menneskelige irider, hud og hår korrelerer godt med amplituden af TYR-meddelelsesniveauet (Lindsey et al. 2001). I eumelanosomer er der også andre TYR-lignende proteiner til stede, herunder TYRP1 og DCT, som er fraværende i phaemelanocytten og menes at være involveret i eumelanin-, men ikke phaeomelaninproduktion (se figur 9-1). OCA2-genproduktet er til stede i begge typer af melanosomer og menes at være nødvendigt for at etablere de rette pH-betingelser i melanosomets lumen (Ancans et al. 2001; Puri et al. 2000). MC1R koder for en syv-pass G-protein-koblet transmembranreceptor, der interagerer med de af proopiomelanocortin (POMC) afledte peptidhormoner, herunder α-melanocyt-stimulerende hormon (αMSH) og adrenokortikotrofisk hormon (ACTH). Ved binding af peptidhormonet menes MC1R at regulere det pH-medierede skift mellem eumelanogenese og pheomelanogenese ved at ændre niveauerne af cAMP (omtalt mere senere). Keratinocytter, der absorberer melanosomerne, menes at indgå i en feedbackkommunikation gennem produktion af disse peptidhormoner.

Transkriptionen og i sidste ende ekspressionen af hvert af disse gener er under kontrol af den microphthalmia-associerede transkriptionsfaktor (MITF), og transporten af melanosomerne langs de dendritiske processer medieres af myosiner som MYO5A (myosin 5A) og AP3D1 (beta-adaptin 3D1).

Selv om forskning i pigmentmutanter har gjort det klart, at en lille undergruppe af gener i vid udstrækning er ansvarlig for katastrofale pigmenteringsdefekter hos mus og mennesker (oculokutan albinisme eller OCA), var det indtil for nylig uklart, om eller hvordan almindelige enkeltnukleotidpolymorfismer (SNP’er) i disse gener bidrager til (eller er knyttet til) naturlig variation i eumelanin/pheomelanin og pigmenteringsfænotyper. Den tidlige genetiske forskning i menneskelig pigmentering fokuserede på linkage scanning og kandidatgenassocieringsmetoder. Med hensyn til irisfarve blev f.eks. et brun-iris-lokus lokaliseret til et interval, der indeholder OCA2- og MYO5A-generne (Eiberg & Mohr 1996), og med hensyn til hårfarve er specifikke polymorfismer i MC1R-genet blevet vist at være forbundet med rødt hår og blå irisfarve i relativt isolerede populationer (Flanagan et al. 2000; Koppula et al. 1997; Robbins et al. 1993; Schioth et al. 1999; Smith et al. 1998; Valverde et al. 1995). En ASIP-polymorfi er rapporteret at være forbundet med både brun iris- og hårfarve (Kanetsky et al. 2002).

Penetransen af hver af disse alleler synes imidlertid at være lav, og generelt synes de kun at forklare en meget lille del af den samlede variation i irisfarve inden for den menneskelige befolkning (Spritz et al. 1995). Indtil for nylig har enkeltgenundersøgelser faktisk ikke givet et solidt grundlag for at forstå den komplekse genetik for alle menneskelige pigmenteringsegenskaber. Da de fleste menneskelige træk har en kompleks genetisk oprindelse og er kvalitativt og kvantitativt komplekse (hvor helhederne ofte er større end summen af deres dele), er der behov for innovative genomikbaserede undersøgelsesdesigns og analysemetoder til screening af genetiske data in silico, som respekterer den genetiske kompleksitet – f.eks. de multifaktorielle og/eller fasekendte komponenter af dominans og epistatisk genetisk varians. Det første skridt er imidlertid at definere komplementet af loci, der på sekvensniveau forklarer varians i egenskabsværdi, og af disse vil de loci, der gør det i marginal eller penetrerende forstand, være lettest at finde.

Den overflod af pigmenteringsgenkandidater fra undersøgelser af albino-mutanter hos mus og mennesker giver et udgangspunkt, hvorfra vi kan begynde at dissekere variationen i naturlige pigmenteringsfænotyper. Men undersøgelser fokuseret på disse gener indtil for nylig havde ikke båret meget frugt, idet de fremhævede kompleksiteten af egenskaben og forskelle i mekanismen i forskellige væv, snarere end at levere enkle, letforståelige puslespilsbrikker, der kunne anvendes generisk. Selv om TYR f.eks. er det hastighedsbegrænsende trin i melaninproduktionen, har kompleksiteten af OCA-fænotyperne illustreret, at TYR ikke er det eneste gen, der er involveret i pigmentering (Lee et al. 1994). Selv om de fleste TYR-negative OCA-patienter er fuldstændig depigmenterede, udviser mørk iris albino-mus (C44H) og deres menneskelige type IB oculocutane modstykker en mangel på pigment i alle væv undtagen iris (Schmidt & Beermann 1994). Undersøgelse af en række andre TYR-positive OCA-fænotyper har vist, at ud over TYR, oculocutaneous 2 (OCA2) (Durham-Pierre et al. 1994, 1996; Gardner et al. 1992; Hamabe et al. 1991), tyrosinase-lignende protein (TYRP1) (Abbott et al. 1991; Boissy et al. 1996; Chintamaneni et al. 1991), melanocortinreceptor (MC1R) (Flanagan et al. 2000; Robbins et al. 1993; Smith et al. 1998) og adaptin 3B (AP3B1) loci (Ooi et al. 1997) samt andre gener (gennemgået af Sturm et al. 2001) er nødvendige for normal menneskelig irispigmentering.

Situationen er lige så kompleks for hår- og hudpigmentering. For hver af disse tre vævstyper på tværs af en lang række pattedyr er TYR-analoger centralt vigtige, men pigmentering hos dyr er ikke blot en Mendelsk funktion af TYR eller et andet enkelt proteinprodukt eller en enkelt gensekvens. Faktisk tyder undersøgelse af transmissionsgenetik for pigmenteringsegenskaber hos mennesker og forskellige modelsystemer på, at variabel pigmentering er en funktion af flere arvelige faktorer, hvis interaktioner synes at være ret komplekse (Akey et al. 2001; Bito et al. 1997; Box et al. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm et al. 2001). I modsætning til menneskers hårfarve (Sturm et al. 2001) synes der f.eks. kun at være en mindre dominanskomponent for pattedyrs irisfarvedeterminering (Brauer & Chopra 1978), og der eksisterer minimal korrelation mellem hud-, hår- og irisfarve inden for eller mellem individer i en given population. Derimod viser sammenligninger mellem populationer god overensstemmelse; populationer med mørkere gennemsnitlig irisfarve har også tendens til at udvise mørkere gennemsnitlige hud- og hårfarver.

Disse observationer tyder på, at de genetiske determinanter for pigmentering i de forskellige væv er forskellige, og at disse determinanter har været underlagt et fælles sæt af systematiske og evolutionære kræfter, der har formet deres fordeling i verdens populationer. I Drosophila er fejl i iris-pigmenteringen blevet tilskrevet mutationer i over 85 loci, der bidrager til en række cellulære processer i melanocytter (Lloyd et al. 1998; Ooi et al. 1997), men musestudier har antydet, at omkring 14 gener fortrinsvis påvirker pigmenteringen hos hvirveldyr (gennemgået i Strum 2001), og at disparate regioner af TYR- og andre OCA-gener er funktionelt forskellige for at bestemme pigmenteringen i forskellige væv.