LA GENETICA DELLA PIGMENTAZIONE UMANA-Un PUZZLE COMPLESSO
La biochimica dell’eumelanina e della feomelanina è stata caratterizzata da Prota e dai suoi colleghi negli ultimi decenni, ma la maggior parte di ciò che abbiamo imparato sulla genetica della pigmentazione è derivata da studi di genetica molecolare di rari difetti di pigmentazione nell’uomo e in sistemi modello come Mus musculus (topo domestico) e Drosophila melanogaster (mosca della frutta comune). Studi sul pedigree umano a metà degli anni settanta hanno suggerito che la variazione del colore dell’iride è una funzione di due loci: un singolo locus responsabile della depigmentazione dell’iride, che non interessa la pelle o i capelli, e un altro gene pleiotropico per la riduzione del pigmento in tutti i tessuti (Brues 1975). Per esempio, la dissezione del tratto dell’albinismo oculocutaneo (OCA) negli esseri umani ha dimostrato che molti difetti di pigmentazione sono dovuti a lesioni nel gene TYR, risultando nella loro designazione come OCA negativi alla tirosinasi (TYR) (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; vedi il database dell’albinismo, al momento della stesura di questo articolo situato su www.cbc.umn.edu/tad/). Infatti, ci sono più di due dozzine di prodotti genici (secondo alcuni autori, fino a 40 prodotti) che si pensa siano coinvolti nella produzione, distribuzione e metabolismo della melanina umana. Questi prodotti funzionano a livello di disponibilità del substrato (livelli di tirosina e DOPA), trascrizione dei prodotti genici, deposizione, interazioni recettore-ligando coinvolte nelle vie di trasduzione del segnale, e il comportamento migratorio dei melanosomi (vedi Figura 9-1).
Siccome TYR è presente sia negli eumelanosomi che nei feomelanosomi e catalizza il passo limitante della biosintesi della melanina, è di un certo interesse il fatto che il grado di pigmentazione di iridi, pelle e capelli umani sia ben correlato all’ampiezza dei livelli dei messaggi TYR (Lindsey et al. 2001). Negli eumelanosomi, sono presenti anche altre proteine simili alla TYR, tra cui TYRP1 e DCT, che sono assenti nel feemelanocita e si pensa siano coinvolte nella produzione di eumelanina ma non di feomelanina (vedi Figura 9-1). Il prodotto del gene OCA2 è presente in entrambi i tipi di melanosomi e si pensa che sia necessario per stabilire le condizioni di pH adeguate nel lume del melanosoma (Ancans et al. 2001; Puri et al. 2000). MC1R codifica un recettore transmembrana accoppiato alla proteina G a sette passi che interagisce con gli ormoni peptidici derivati dalla proopiomelanocortina (POMC), compresi l’ormone stimolante i melanociti α (αMSH) e l’ormone adrenocorticotrofico (ACTH). Dopo aver legato l’ormone peptidico, si pensa che l’MC1R regoli la commutazione mediata dal pH dell’eumelanogenesi e della feomelanogenesi alterando i livelli di cAMP (di cui si parlerà più avanti). Si pensa che i cheratinociti che assorbono i melanosomi si impegnino in una comunicazione di feedback attraverso la produzione di questi ormoni peptidici.
La trascrizione, e infine l’espressione di ciascuno di questi geni è sotto il controllo del fattore di trascrizione associato alla microftalmia (MITF), e il trasporto dei melanosomi lungo i processi dendritici è mediato da miosine come MYO5A (miosina 5A) e AP3D1 (beta-adaptina 3D1).
Anche se la ricerca sui mutanti di pigmento ha chiarito che un piccolo sottoinsieme di geni è in gran parte responsabile dei difetti catastrofici della pigmentazione nei topi e nell’uomo (albinismo oculocutaneo, o OCA), fino a poco tempo fa non era chiaro se o come i polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) comuni in questi geni contribuiscono a (o sono legati a) la variazione naturale in eumelanina/fomelanina e fenotipi di pigmentazione. Le prime ricerche genetiche sulla pigmentazione umana si sono concentrate sulla scansione dei collegamenti e sui metodi di associazione dei geni candidati. Con il colore dell’iride, per esempio, un locus brown-iris è stato localizzato in un intervallo contenente i geni OCA2 e MYO5A (Eiberg & Mohr 1996), e per il colore dei capelli, polimorfismi specifici nel gene MC1R hanno dimostrato di essere associati a capelli rossi e colore blu dell’iride in popolazioni relativamente isolate (Flanagan et al. 2000; Koppula et al. 1997; Robbins et al. 1993; Schioth et al. 1999; Smith et al. 1998; Valverde et al. 1995). Un polimorfismo ASIP è segnalato per essere associato sia al colore marrone dell’iride che a quello dei capelli (Kanetsky et al. 2002).
Tuttavia, la penetranza di ciascuno di questi alleli sembra essere bassa e, in generale, sembrano spiegare solo una quantità molto piccola della variazione complessiva dei colori dell’iride all’interno della popolazione umana (Spritz et al. 1995). Infatti, fino a poco tempo fa gli studi sui singoli geni non hanno fornito una solida base per comprendere la complessa genetica di qualsiasi tratto di pigmentazione umana. Poiché la maggior parte dei tratti umani ha origini genetiche complesse e sono qualitativamente e quantitativamente complessi (in cui gli insiemi sono spesso maggiori della somma delle loro parti), sono necessari innovativi disegni di studio basati sulla genomica e metodi analitici per lo screening dei dati genetici in silico che siano rispettosi della complessità genetica – per esempio, le componenti multifattoriali e/o fase note di dominanza e varianza genetica epistatica. Il primo passo, tuttavia, è quello di definire il complemento di loci che a livello di sequenza spiegano la varianza nel valore del tratto, e di questi, quelli che lo fanno in senso marginale o penetrante saranno i più facili da trovare.
L’abbondanza di candidati geni della pigmentazione da studi di mutanti albini topi e umani fornisce un punto di partenza da cui possiamo iniziare a sezionare la variazione nei fenotipi naturali della pigmentazione. Tuttavia gli studi focalizzati su questi geni fino a poco tempo fa non hanno dato molti frutti, evidenziando la complessità del tratto e le differenze nel meccanismo nei diversi tessuti, piuttosto che fornire pezzi di puzzle semplici e facili da capire che potrebbero essere genericamente applicati. Per esempio, sebbene il TYR sia il passo limitante nella produzione di melanina, la complessità dei fenotipi OCA ha dimostrato che il TYR non è l’unico gene coinvolto nella pigmentazione (Lee et al. 1994). Sebbene la maggior parte dei pazienti OCA TYR-negativi siano completamente depigmentati, i topi albini con iride scura (C44H) e le loro controparti oculocutanee umane di tipo IB mostrano una mancanza di pigmento in tutti i tessuti tranne l’iride (Schmidt & Beermann 1994). Lo studio di un certo numero di altri fenotipi OCA TYR-positivi ha dimostrato che, oltre al TYR, l’oculocutaneo 2 (OCA2) (Durham-Pierre et al. 1994, 1996; Gardner et al. 1992; Hamabe et al. 1991), la proteina tirosinasi-simile (TYRP1) (Abbott et al. 1991; Boissy et al. 1996; Chintamaneni et al. 1991), recettore della melanocortina (MC1R) (Flanagan et al. 2000; Robbins et al. 1993; Smith et al. 1998), e i loci adaptin 3B (AP3B1) (Ooi et al. 1997), così come altri geni (rivisti da Sturm et al. 2001) sono necessari per la normale pigmentazione dell’iride umana. Per ognuno di questi tre tipi di tessuto in un’ampia varietà di mammiferi, gli analoghi di TYR sono importanti a livello centrale, ma la pigmentazione negli animali non è semplicemente una funzione mendeliana di TYR o di qualsiasi altro singolo prodotto proteico o sequenza genica. Infatti, lo studio della genetica di trasmissione dei tratti di pigmentazione nell’uomo e in vari sistemi modello suggerisce che la pigmentazione variabile è una funzione di molteplici fattori ereditabili le cui interazioni sembrano essere piuttosto complesse (Akey et al. 2001; Bito et al. 1997; Box et al. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm et al. 2001). Per esempio, a differenza del colore dei capelli umani (Sturm et al. 2001), sembra esserci solo una componente minore di dominanza per la determinazione del colore dell’iride nei mammiferi (Brauer & Chopra 1978), ed esiste una correlazione minima tra pelle, capelli e colore dell’iride all’interno o tra gli individui di una data popolazione. Al contrario, i confronti tra le popolazioni mostrano una buona concordanza; le popolazioni con un colore medio dell’iride più scuro tendono anche a mostrare toni medi della pelle e colori dei capelli più scuri.
Queste osservazioni suggeriscono che i determinanti genetici per la pigmentazione nei vari tessuti sono distinti, e che questi determinanti sono stati soggetti a un insieme comune di forze sistematiche ed evolutive che hanno modellato la loro distribuzione nelle popolazioni mondiali. In Drosophila, i difetti di pigmentazione dell’iride sono stati attribuiti a mutazioni in oltre 85 loci che contribuiscono a una varietà di processi cellulari nei melanociti (Lloyd et al. 1998; Ooi et al. 1997), ma studi sui topi hanno suggerito che circa 14 geni influenzano preferenzialmente la pigmentazione nei vertebrati (rivisto in Strum 2001), e che regioni disparate dei geni TYR e di altri OCA sono funzionalmente distinte per determinare la pigmentazione in diversi tessuti.