DE GENETIEK VAN DE MENSELIJKE PIGMENTATIE – EEN COMPLEX PUZZEL
De biochemie van eumelanine en pheomelanine is de afgelopen decennia gekarakteriseerd door Prota en zijn collega’s, maar het meeste van wat we hebben geleerd over de genetica van pigmentatie is afgeleid van moleculair genetische studies van zeldzame pigmentatiedefecten bij de mens en modelsystemen zoals Mus musculus (huismuis) en Drosophila melanogaster (gewone fruitvlieg). Stamboomonderzoek bij de mens in het midden van de jaren zeventig suggereerde dat de iriskleurvariatie een functie is van twee loci: één locus die verantwoordelijk is voor depigmentatie van de iris, zonder invloed op huid of haar, en een ander pleiotroop gen voor vermindering van pigment in alle weefsels (Brues 1975). Bijvoorbeeld, dissectie van de oculocutane albinisme (OCA) eigenschap bij mensen heeft aangetoond dat vele pigmentdefecten te wijten zijn aan laesies in het TYR gen, wat resulteert in hun aanduiding als tyrosinase (TYR) negatieve OCAs (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; zie Albinisme database, vanaf dit schrijven te vinden op www.cbc.umn.edu/tad/). Er zijn inderdaad meer dan twee dozijn genprodukten (volgens sommige auteurs tot 40 produkten) waarvan gedacht wordt dat ze betrokken zijn bij de produktie, de distributie en het metabolisme van melanine bij de mens. Deze producten functioneren op het niveau van de beschikbaarheid van substraten (tyrosine- en DOPA-niveaus), de transcriptie van de genproducten, de depositie, de receptor-ligand-interacties die betrokken zijn bij de signaaltransductieroutes, en het migratiegedrag van melanosomen (zie figuur 9-1).
Omdat TYR zowel in eumelanosomen als in phaeomelanosomen aanwezig is en de snelheidsbeperkende stap van de melanine biosynthese katalyseert, is het van belang dat de mate waarin menselijke iriden, huid en haar gepigmenteerd zijn goed correleert met de amplitude van TYR berichtniveaus (Lindsey et al. 2001). In eumelanosomen zijn ook andere TYR-achtige eiwitten aanwezig, waaronder TYRP1 en DCT, die afwezig zijn in de faemelanocyt en waarvan wordt aangenomen dat ze betrokken zijn bij de productie van eumelanine, maar niet bij de productie van faemelanine (zie figuur 9-1). Het OCA2-genproduct is in beide melanosoomtypen aanwezig en wordt geacht nodig te zijn voor de juiste pH-waarde in het lumen van het melanosoom (Ancans et al. 2001; Puri et al. 2000). MC1R codeert voor een zeven-passige G-eiwit gekoppelde transmembraanreceptor die interageert met de van proopiomelanocortine (POMC) afgeleide peptidehormonen, waaronder α-melanocyten-stimulerend hormoon (αMSH) en adrenocorticotroof hormoon (ACTH). Na binding van het peptidehormoon zou de MC1R de pH-gemedieerde omschakeling van eumelanogenese en pheomelanogenese regelen door het cAMP-niveau te wijzigen (waarover later meer). Keratinocyten die de melanosomen absorberen zouden een feedback communicatie aangaan door de productie van deze peptide hormonen.
De transcriptie, en uiteindelijk de expressie van elk van deze genen staat onder controle van de microphthalmia-geassocieerde transcriptiefactor (MITF), en het transport van de melanosomen langs de dendritische processen wordt gemedieerd door myosinen zoals MYO5A (myosine 5A) en AP3D1 (beta-adaptine 3D1).
Hoewel onderzoek op pigmentmutanten duidelijk heeft gemaakt dat een kleine subset van genen grotendeels verantwoordelijk is voor catastrofale pigmentatiedefecten bij muizen en mensen (oculocutaan albinisme, of OCA), was het tot voor kort onduidelijk of en hoe veel voorkomende enkel-nucleotide polymorfismen (SNPs) in deze genen bijdragen aan (of verband houden met) natuurlijke variatie in eumelanine/pheomelanine en pigmentatiefenotypen. Vroeg genetisch onderzoek naar menselijke pigmentatie richtte zich op het scannen van verbanden en kandidaat-genassociatiemethoden. Voor iriskleur bijvoorbeeld werd een bruin-iris locus gelokaliseerd in een interval dat de OCA2 en MYO5A genen bevat (Eiberg & Mohr 1996), en voor haarkleur werd aangetoond dat specifieke polymorfismen in het MC1R gen geassocieerd zijn met rood haar en blauwe iriskleur in relatief geïsoleerde populaties (Flanagan et al. 2000; Koppula et al. 1997; Robbins et al. 1993; Schioth et al. 1999; Smith et al. 1998; Valverde et al. 1995). Een ASIP polymorfisme wordt geassocieerd met zowel bruine iris als haarkleur (Kanetsky et al. 2002).
De penetrantie van elk van deze allelen blijkt echter laag te zijn en in het algemeen lijken zij slechts een zeer klein deel van de totale variatie in iriskleuren binnen de menselijke bevolking te verklaren (Spritz et al. 1995). Inderdaad, tot voor kort hebben enkelvoudige genstudies geen goede basis verschaft voor het begrijpen van de complexe genetica van menselijke pigmentatiekenmerken. Omdat de meeste menselijke eigenschappen een complexe genetische oorsprong hebben en kwalitatief en kwantitatief complex zijn (waarbij het geheel vaak groter is dan de som van de delen), zijn innovatieve op genomics gebaseerde studieontwerpen en analytische methoden voor het screenen van genetische gegevens in silico nodig die rekening houden met genetische complexiteit – bijvoorbeeld de multifactoriële en/of fase bekende componenten van dominantie en epistatische genetische variantie. De eerste stap is echter het definiëren van het complement van loci die op sequentie-niveau variantie in kenmerkwaarde verklaren, en daarvan zullen diegene die dit doen in marginale of penetrante zin het gemakkelijkst te vinden zijn.
De overvloed aan pigmentatie gen-kandidaten uit studies van muis en menselijke albino mutanten biedt een startpunt van waaruit we kunnen beginnen met het ontleden van variatie in natuurlijke pigmentatie fenotypes. Studies gericht op deze genen hebben tot voor kort echter niet veel vruchten afgeworpen, omdat ze de complexiteit van de eigenschap en de verschillen in mechanisme in verschillende weefsels benadrukken, in plaats van eenvoudige, gemakkelijk te begrijpen puzzelstukjes te leveren die generiek kunnen worden toegepast. Hoewel bijvoorbeeld TYR de snelheidsbeperkende stap in de melanineproduktie is, heeft de complexiteit van OCA fenotypes aangetoond dat TYR niet het enige gen is dat betrokken is bij pigmentatie (Lee et al. 1994). Hoewel de meeste TYR-negatieve OCA-patiënten volledig gedepigmenteerd zijn, vertonen donker iris albino muizen (C44H) en hun menselijke type IB oculocutane tegenhangers een gebrek aan pigment in alle weefsels behalve de iris (Schmidt & Beermann 1994). Onderzoek van een aantal andere TYR-positieve OCA-fenotypes heeft aangetoond dat, naast TYR, de oculocutane 2 (OCA2) (Durham-Pierre et al. 1994, 1996; Gardner et al. 1992; Hamabe et al. 1991), tyrosinase-like protein (TYRP1) (Abbott et al. 1991; Boissy et al. 1996; Chintamaneni et al. 1991), melanocortin receptor (MC1R) (Flanagan et al. 2000; Robbins et al. 1993; Smith et al. 1998), en adaptin 3B (AP3B1) loci (Ooi et al. 1997), evenals andere genen (besproken door Sturm et al. 2001) zijn noodzakelijk voor normale menselijke iris pigmentatie.
De situatie is even complex voor haar- en huidpigmentatie. Voor elk van deze drie weefseltypen in een grote verscheidenheid van zoogdieren zijn TYR-analogen van centraal belang, maar pigmentatie bij dieren is niet eenvoudigweg een Mendeliaanse functie van TYR of een ander enkel eiwitproduct of gensequentie. In feite suggereert de studie van de transmissiegenetica voor pigmentatiekenmerken bij de mens en verschillende modelsystemen dat variabele pigmentatie een functie is van meerdere, erfelijke factoren waarvan de interacties vrij complex blijken te zijn (Akey et al. 2001; Bito et al. 1997; Box et al. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm et al. 2001). Bijvoorbeeld, in tegenstelling tot de menselijke haarkleur (Sturm et al. 2001), blijkt er slechts een kleine dominantie component te zijn voor de bepaling van de iriskleur bij zoogdieren (Brauer & Chopra 1978), en er bestaat een minimale correlatie tussen huid-, haar-, en iriskleur binnen of tussen individuen van een bepaalde populatie. Daarentegen vertonen vergelijkingen tussen populaties een goede concordantie; populaties met een donkerder gemiddelde iriskleur hebben ook de neiging een donkerder gemiddelde huidskleur en haarkleur te vertonen.
Deze observaties suggereren dat de genetische determinanten voor pigmentatie in de verschillende weefsels verschillend zijn, en dat deze determinanten onderhevig zijn geweest aan een gemeenschappelijke set systematische en evolutionaire krachten die hun verdeling in de wereldpopulaties hebben gevormd. In Drosophila zijn pigmentvlekken in de iris toegeschreven aan mutaties in meer dan 85 loci die bijdragen aan een verscheidenheid van cellulaire processen in melanocyten (Lloyd et al. 1998; Ooi et al. 1997), maar muizenstudies hebben gesuggereerd dat ongeveer 14 genen bij voorkeur pigmentatie in gewervelde dieren beïnvloeden (besproken in Strum 2001), en dat ongelijksoortige regio’s van de TYR en andere OCA genen functioneel verschillend zijn voor het bepalen van de pigmentatie in verschillende weefsels.