Den genetiska bakgrunden till mänsklig pigmentering – ett komplext pussel

Eumelanin och pheomelanin har karakteriserats av Prota och hans kollegor under de senaste decennierna, men det mesta vi har lärt oss om pigmenteringens genetik har härletts från molekylärgenetiska studier av sällsynta pigmenteringsdefekter hos människor och modellsystem som Mus musculus (husmus) och Drosophila melanogaster (vanlig fruktfluga). Studier av människans stamtavlor i mitten av sjuttiotalet tyder på att färgvariationen i iris är en funktion av två loci: ett enda locus som är ansvarigt för depigmentering av iris, som inte påverkar hud eller hår, och en annan pleiotropisk gen för minskning av pigment i alla vävnader (Brues 1975). Till exempel har dissektion av egenskapen oculokutan albinism (OCA) hos människor visat att många pigmentationsdefekter beror på skador i TYR-genen, vilket resulterar i att de betecknas som tyrosinas-negativa OCA (Oetting & King 1991, 1992, 1993, 1999; se Albinism-databasen, som i skrivande stund finns på www.cbc.umn.edu/tad/). Det finns faktiskt mer än två dussin genprodukter (enligt vissa författare upp till 40 produkter) som tros vara inblandade i produktion, distribution och metabolism av mänskligt melanin. Dessa produkter fungerar på nivån för substrattillgänglighet (tyrosin- och DOPA-nivåer), transkription av genprodukterna, deponering, receptor-ligandinteraktioner som är involverade i signaltransduktionsvägarna och melanosomernas vandringsbeteende (se figur 9-1).

Med tanke på att TYR finns i både eumelanosomer och phaeomelanosomer och katalyserar det hastighetsbegränsande steget i melaninbiosyntesen är det av visst intresse att graden av pigmentering av människans irider, hud och hår korrelerar väl med amplituden av TYR-meddelandenivåerna (Lindsey et al. 2001). I eumelanosomer finns också andra TYR-liknande proteiner, bland annat TYRP1 och DCT, som saknas i phaemelanocyten och som tros vara involverade i eumelanin- men inte i phaeomelaninproduktion (se figur 9-1). Genprodukten OCA2 finns i båda typerna av melanosomer och tros vara nödvändig för att skapa rätt pH-förhållanden i melanosomens lumen (Ancans et al. 2001; Puri et al. 2000). MC1R kodar för en sjupassig G-proteinkopplad transmembranreceptor som interagerar med proopiomelanocortin (POMC) härledda peptidhormoner, inklusive α-melanocyt-stimulerande hormon (αMSH) och adrenokortikotrofiskt hormon (ACTH). Vid bindning av peptidhormonet tros MC1R reglera den pH-medierade växlingen av eumelanogenes och pheomelanogenes genom att ändra nivåerna av cAMP (diskuteras mer senare). Keratinocyter som absorberar melanosomerna tros delta i en återkopplingskommunikation genom produktion av dessa peptidhormoner.

Transkriptionen och i slutändan uttrycket av var och en av dessa gener står under kontroll av den microphthalmia-associerade transkriptionsfaktorn (MITF), och transporten av melanosomerna längs de dendrittiska processerna förmedlas av myosiner som MYO5A (myosin 5A) och AP3D1 (beta-adaptin 3D1).

Tyvärr har forskning om pigmentmutanter klargjort att en liten undergrupp av gener till stor del är ansvarig för katastrofala pigmentationsdefekter hos möss och människor (okulokutan albinism, eller OCA), men fram till helt nyligen var det oklart om eller hur vanliga singelnukleotidpolymorfismer (SNP) i dessa gener bidrar till (eller är kopplade till) den naturliga variationen av eumelanin/pheomelanin och pigmenteringsfenotyper. Den tidiga genetiska forskningen om mänsklig pigmentering var inriktad på metoder för kopplingssökning och kandidatgenassociation. När det gäller irisfärg lokaliserades till exempel ett brun-iris-locus till ett intervall som innehåller generna OCA2 och MYO5A (Eiberg & Mohr 1996), och när det gäller hårfärg har specifika polymorfismer i MC1R-genen visat sig vara förknippade med rött hår och blå irisfärg i relativt isolerade 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-polymorfism rapporteras vara förknippad med både brun iris och hårfärg (Kanetsky et al. 2002).

Penetransen för var och en av dessa alleler tycks dock vara låg och generellt sett tycks de endast förklara en mycket liten del av den totala variationen av irisfärger inom den mänskliga befolkningen (Spritz et al. 1995). Fram till nyligen har studier av enstaka gener inte gett någon bra grund för att förstå den komplexa genetiken hos någon mänsklig pigmenteringsegenskap. Eftersom de flesta mänskliga egenskaper har ett komplext genetiskt ursprung och är kvalitativt och kvantitativt komplexa (där helheten ofta är större än summan av delarna), behövs innovativa genomikbaserade studiedesigns och analysmetoder för screening av genetiska data in silico som respekterar den genetiska komplexiteten – till exempel de multifaktoriella och/eller fas kända komponenterna av dominans och epistatisk genetisk varians. Det första steget är dock att definiera komplementet av loci som på sekvensnivå förklarar varians i egenskapsvärde, och av dessa kommer de som gör det i en marginell eller penetrerande bemärkelse att vara lättast att hitta.

Den rikliga förekomsten av kandidater till pigmenteringsgener från studier av albino-mutanter hos mus och människa utgör en utgångspunkt från vilken vi kan börja dissekera variationen i naturliga pigmenteringsfenotyper. Studier med fokus på dessa gener har dock fram till nyligen inte burit mycket frukt, utan har lyft fram egenskapens komplexitet och skillnader i mekanism i olika vävnader, snarare än att ge enkla, lättförståeliga pusselbitar som kan tillämpas generellt. Även om TYR är det hastighetsbegränsande steget i melaninproduktionen har till exempel komplexiteten hos OCA-fenotyperna illustrerat att TYR inte är den enda genen som är involverad i pigmentering (Lee et al. 1994). Även om de flesta TYR-negativa OCA-patienter är helt depigmenterade, uppvisar albino-möss med mörk iris (C44H) och deras oculokutana motsvarigheter av mänsklig typ IB brist på pigment i alla vävnader utom iris (Schmidt & Beermann 1994). Studier av ett antal andra TYR-positiva OCA-fenotyper har visat att förutom TYR, oculocutaneous 2 (OCA2) (Durham-Pierre et al. 1994, 1996; Gardner et al. 1992; Hamabe et al. 1991), tyrosinasliknande 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), och adaptin 3B (AP3B1) loci (Ooi et al. 1997), liksom andra gener (granskad av Sturm et al. 2001) är nödvändiga för normal mänsklig irispigmentering.

Situationen är lika komplicerad för pigmentering av hår och hud. För var och en av dessa tre vävnadstyper hos ett stort antal däggdjur är TYR-analoger centralt viktiga, men pigmentering hos djur är inte bara en mendelsk funktion av TYR eller någon annan enskild proteinprodukt eller gensekvens. Studier av överföringsgenetiken för pigmenteringsegenskaper hos människan och olika modellsystem tyder faktiskt på att varierande pigmentering är en funktion av flera ärftliga faktorer vars interaktioner verkar vara ganska komplexa (Akey et al. 2001; Bito et al. 1997; Box et al. 1997, 2001a; Brauer & Chopra 1978; Sturm et al. 2001). Till skillnad från människans hårfärg (Sturm et al. 2001) verkar det till exempel bara finnas en mindre dominanskomponent för bestämning av däggdjurs irisfärg (Brauer & Chopra 1978), och det finns minimal korrelation mellan hud-, hår- och irisfärg inom eller mellan individer i en viss population. Däremot visar jämförelser mellan populationer god överensstämmelse; populationer med en mörkare genomsnittlig irisfärg tenderar också att uppvisa mörkare genomsnittliga hud- och hårfärger.

Dessa observationer tyder på att de genetiska bestämningsfaktorerna för pigmentering i de olika vävnaderna är distinkta, och att dessa bestämningsfaktorer har varit utsatta för en gemensam uppsättning systematiska och evolutionära krafter som har format deras fördelning i världspopulationerna. I Drosophila har defekter i irispigmenteringen tillskrivits mutationer i över 85 loci som bidrar till en mängd olika cellulära processer i melanocyter (Lloyd et al. 1998; Ooi et al. 1997), men musstudier har föreslagit att cirka 14 gener företrädesvis påverkar pigmenteringen hos ryggradsdjur (granskad i Strum 2001), och att disparata regioner i TYR- och andra OCA-gener är funktionellt distinkta för att bestämma pigmenteringen i olika vävnader.