IHMISEN PIGMENTOINNIN GENETIIKKA-KOMPLEKSINEN PALAPELI

Prota ja hänen kollegansa ovat luonnehtineet eumelaniinin ja feomelaniinin biokemiaa viime vuosikymmeninä, mutta suurin osa siitä, mitä olemme oppineet pigmentaation genetiikasta, on saatu molekyyligeneettisistä tutkimuksista, joissa on tutkittu harvinaisia pigmentaatiovirheitä ihmisessä ja mallijärjestelmissä, kuten Mus musculus (kotihiiri) ja Drosophila melanogaster (hedelmäkärpänen). Seitsemänkymmentäluvun puolivälissä tehdyt ihmisen sukutaulututkimukset viittasivat siihen, että iiriksen värivaihtelu on kahden lokuksen funktio: yhden lokuksen, joka on vastuussa iiriksen depigmentaatiosta, mutta ei vaikuta ihoon tai hiuksiin, ja toisen pleiotrooppisen geenin, joka vähentää pigmenttiä kaikissa kudoksissa (Brues 1975). Esimerkiksi ihmisillä esiintyvän okulokutaanisen albinismin (OCA) ominaisuuden tarkastelu on osoittanut, että monet pigmenttivirheet johtuvat TYR-geenin vaurioista, minkä vuoksi niitä kutsutaan tyrosinaasi (TYR) -negatiivisiksi OCA-tapauksiksi (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; ks. albinismitietokanta, joka on tätä kirjoitettaessa osoitteessa www.cbc.umn.edu/tad/). Itse asiassa on yli kaksi tusinaa geenituotetta (joidenkin kirjoittajien mukaan jopa 40 tuotetta), joiden uskotaan osallistuvan ihmisen melaniinin tuotantoon, jakautumiseen ja aineenvaihduntaan. Nämä tuotteet toimivat substraatin saatavuuden (tyrosiini- ja DOPA-tasot), geenituotteiden transkription, laskeutumisen, signaalinsiirtoreitteihin osallistuvien reseptori-ligandi-interaktioiden ja melanosomien vaelluskäyttäytymisen tasolla (ks. kuva 9-1).

Koska TYR on läsnä sekä eumelanosomeissa että faeomelanosomeissa ja katalysoi melaniinin biosynteesin nopeutta rajoittavaa vaihetta, on mielenkiintoista, että ihmisen iiriksen, ihon ja hiusten pigmentoitumisaste korreloi hyvin TYR-viestien tasojen amplitudin kanssa (Lindsey ym. 2001). Eumelanosomeissa esiintyy myös muita TYR:n kaltaisia proteiineja, kuten TYRP1 ja DCT, joita ei esiinny faemelanosyytissä ja joiden uskotaan osallistuvan eumelaniinin mutta ei faemelaniinin tuotantoon (ks. kuva 9-1). OCA2-geenituotetta esiintyy molemmissa melanosomityypeissä, ja sen uskotaan olevan välttämätön oikeiden pH-olosuhteiden aikaansaamiseksi melanosomin luumenissa (Ancans ym. 2001; Puri ym. 2000). MC1R koodaa seitsensuuntaista G-proteiinikytkentäistä transmembraanireseptoria, joka on vuorovaikutuksessa proopiomelanokortiinista (POMC) peräisin olevien peptidihormonien kanssa, mukaan lukien α-melanosyyttejä stimuloiva hormoni (αMSH) ja adrenokortikotrofinen hormoni (ACTH). Peptidihormonin sitoutuessa MC1R:n uskotaan säätelevän pH-välitteistä eumelanogeneesin ja feomelanogeneesin vaihtoa muuttamalla cAMP-tasoja (käsitellään tarkemmin myöhemmin). Melanosomeja absorboivien keratinosyyttien ajatellaan osallistuvan takaisinkytkentäviestintään näiden peptidihormonien tuotannon kautta.

Kunkin näistä geeneistä transkriptio ja viime kädessä niiden ilmentyminen on MITF:n (microphthalmia-associated transcription factor) valvonnassa, ja melanosomien kuljettamista dendriittisiä prosesseja pitkin välittävät myosiineja, kuten MYO5A:ta (MYO5A, myosiini 5A) ja AP3D1:tä (beeta-adaptiini 3D1).

Vaikka pigmenttimutaatioiden tutkimus on tehnyt selväksi, että pieni osajoukko geenejä on suurelta osin vastuussa katastrofaalisista pigmenttivirheistä hiirillä ja ihmisellä (okulokutaaninen albinismi eli OCA), viime aikoihin asti oli epäselvää, edistävätkö tai miten yleiset yksittäisten nukleotidien polymorfismit (single nucleotide polymorphisms, SNP) näissä geeneissä vaikuttavat luonnolliseen variaatioon eumelaniinissa/femelaniinissa ja pigmentaatio-fenotyypeissä tai miten ne liittyvät niihin. Ihmisen pigmentaatiota koskevassa varhaisessa geneettisessä tutkimuksessa keskityttiin kytkentäskannaukseen ja ehdokasgeenien assosiaatiomenetelmiin. Esimerkiksi iiriksen värin osalta ruskean iiriksen lokus paikallistettiin OCA2- ja MYO5A-geenejä sisältävään väliin (Eiberg & Mohr 1996), ja hiusten värin osalta MC1R-geenin spesifisten polymorfismien on osoitettu olevan yhteydessä punaisiin hiuksiin ja siniseen iiriksen väriin suhteellisen eristetyissä populaatioissa (Flanagan ym. 2000; Koppula ym. 1997; Robbins ym. 1993; Schioth ym. 1999; Smith ym. 1998; Valverde ym. 1995). ASIP-polymorfismin on raportoitu olevan yhteydessä sekä ruskean iiriksen että hiusten väriin (Kanetsky ym. 2002).

Kunkin näistä alleeleista läpäisevyys näyttää kuitenkin olevan alhainen, ja yleisesti ottaen ne näyttävät selittävän vain hyvin pienen osan iiriksen värin kokonaisvaihtelusta ihmispopulaatiossa (Spritz ym. 1995). Yksittäisten geenien tutkimukset eivät ole viime aikoihin asti tarjonneet vankkaa perustaa minkään ihmisen pigmenttipiirteen monimutkaisen genetiikan ymmärtämiselle. Koska useimmilla ihmisen ominaisuuksilla on monimutkainen geneettinen alkuperä ja ne ovat laadullisesti ja määrällisesti monimutkaisia (jolloin kokonaisuus on usein suurempi kuin osiensa summa), tarvitaan innovatiivisia genomiikkaan perustuvia tutkimussuunnitelmia ja analyyttisiä menetelmiä geneettisen datan seulontaan in silico, jotka kunnioittavat geneettistä monimutkaisuutta – esimerkiksi monitekijäisiä ja/tai vaiheittain tunnettuja dominanssin ja epistaattisen geneettisen variaation komponentteja. Ensimmäinen askel on kuitenkin määritellä niiden lokusten täydennys, jotka sekvenssitasolla selittävät ominaisuuden arvon vaihtelua, ja näistä on helpointa löytää ne, jotka tekevät sen marginaalisesti tai penetroivassa mielessä.

Hiiren ja ihmisen albiinomutaatioiden tutkimuksista saatujen pigmenttigeenikandidaattien runsaus tarjoaa lähtökohdan, josta voimme aloittaa luonnollisten pigmentaatioilmiöiden variaation erittelyn. Näihin geeneihin viime aikoihin asti keskittyneet tutkimukset eivät kuitenkaan ole tuottaneet paljon hedelmää, vaan ne ovat korostaneet ominaisuuden monimutkaisuutta ja mekanismien eroja eri kudoksissa sen sijaan, että ne olisivat tarjonneet yksinkertaisia, helposti ymmärrettäviä palapelinpaloja, joita voitaisiin soveltaa yleisesti. Vaikka esimerkiksi TYR on melaniinituotannon nopeutta rajoittava vaihe, OCA-fenotyyppien monimutkaisuus on osoittanut, että TYR ei ole ainoa pigmentaatioon osallistuva geeni (Lee ym. 1994). Vaikka useimmat TYR-negatiiviset OCA-potilaat ovat täysin depigmentoituneita, tumman iiriksen albiinohiirillä (C44H) ja niiden ihmisen tyypin IB okulokutaanisilla vastineilla on pigmentin puute kaikissa kudoksissa iiristä lukuun ottamatta (Schmidt & Beermann 1994). Useiden muiden TYR-positiivisten OCA-fenotyyppien tutkiminen on osoittanut, että TYR:n lisäksi oculocutaneous 2 (OCA2) (Durham-Pierre ym. 1994, 1996; Gardner ym. 1992; Hamabe ym. 1991), tyrosinaasin kaltainen proteiini (TYRP1) (Abbott ym. 1991; Boissy ym. 1996; Chintamaneni ym. 1991), melanokortiinireseptorin (MC1R) (Flanagan ym. 2000; Robbins ym. 1993; Smith ym. 1998) ja adaptiinin 3B (AP3B1) -lokusten (Ooi ym. 1997) sekä muiden geenien (katsaus Sturm ym. 2001) on oltava välttämättömiä ihmisen normaalille iiriksen pigmentaatiolle.

Tilanne on yhtä monitahoinen myös hiusten ja ihon pigmentaation osalta. Kullekin näistä kolmesta kudostyypistä monenlaisissa nisäkkäissä TYR-analogit ovat keskeisen tärkeitä, mutta eläinten pigmentaatio ei ole yksinkertaisesti TYR:n tai minkään muun yksittäisen proteiinituotteen tai geenisekvenssin Mendelin funktio. Itse asiassa pigmenttiominaisuuksien periytymisgenetiikan tutkiminen ihmisellä ja erilaisilla mallijärjestelmillä viittaa siihen, että vaihteleva pigmentaatio on useiden periytyvien tekijöiden funktio, joiden vuorovaikutukset näyttävät olevan varsin monimutkaisia (Akey ym. 2001; Bito ym. 1997; Box ym. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm ym. 2001). Esimerkiksi toisin kuin ihmisen hiusten väri (Sturm ym. 2001), nisäkkäiden iiriksen värin määräytymisessä näyttää olevan vain vähäinen dominanssikomponentti (Brauer & Chopra 1978), ja ihon, hiusten ja iiriksen värin välillä on minimaalinen korrelaatio tietyn populaation yksilöiden sisällä tai välillä. Sitä vastoin populaatioiden väliset vertailut osoittavat hyvää yhteneväisyyttä; populaatioilla, joilla on tummempi keskimääräinen iiriksen väri, on yleensä myös tummemmat keskimääräiset ihon ja hiusten värit.

Nämä havainnot viittaavat siihen, että eri kudosten pigmentaation geneettiset determinantit ovat erillisiä ja että näihin determinantteihin on kohdistunut yhteisiä systemaattisia ja evolutiivisia voimia, jotka ovat muokanneet niiden jakautumista maailman populaatioissa. Drosofiassa iiriksen pigmentaatiovirheiden on katsottu johtuvan mutaatioista yli 85:ssä lokuksessa, jotka vaikuttavat erilaisiin soluprosesseihin melanosyyteissä (Lloyd ym. 1998; Ooi ym. 1997), mutta hiiritutkimukset ovat osoittaneet, että selkärankaisilla pigmentaatioon vaikuttaa etupäässä noin 14 geeniä (katsaus teoksessa Strum 2001) ja että TYR:n ja muiden OCA-geenien toisistaan poikkeavat alueet ovat funktionaalisesti erillisiä määrittäessään pigmentaation määräävän pigmentaatiomuutoksia eri kudoksissa.