Цвет кожи. Антропологическая классификация. Найдены гены, отвечающие за разнообразие оттенков кожи Меланин. Что это
Исследователи под руководством Сары Тишкофф (Sarah Tishkoff) из Пенсильванского университета опубликовали работу, где прослеживается эволюция и распространение по миру генов, определяющих цвет кожи человека.
Представитель народа агау из северной Эфиопии и Эритреи (слева)
и этнической группы сурма из южной Эфиопии и Южного Судана
© Alessia Ranciaro, Dr. Simon R. Thompson
По словам ученых, предки человека – австралопитеки – имели светлую кожу, покрытую шерстью. «Если вы побреете шимпанзе, вы увидите, что его кожа светлая, – рассказывает Сара Тишкофф. – Если у вас есть волосы на теле, вам не нужна темная кожа для защиты от ультрафиолетового излучения». До недавнего времени предполагалось, что после того, как предки людей утратили большую часть на теле (около двух миллионов лет назад), они быстро обзавелись темной кожей для защиты от вредных последствий ультрафиолетового излучения. Затем, когда люди мигрировали из Африки и попали в более северные широты, их кожа стала светлой в качестве адаптации к недостатку солнечного света, так как бледная кожа синтезирует больше витамина D.
Предыдущие исследования генов цвета кожи, соответствовали этой картине. Например, «ген депигментации» (SLC24A5), связанный со светлой кожей, распространился по европейским популяциям за последние 6000 лет. Работа Тишкофф и ее коллег показала, что не все так просто.
Авторы работы измерили коэффициент отражения кожи у 2092 человек из Эфиопии, Танзании и Ботсваны. Самая темная кожа обнаружилась у скотоводов Восточной Африки, таких как народы мурси и сурма, самая светлая – у народа сан в Южной Африке. Помимо них обнаружилось множество переходных оттенков. Одновременно исследователи собирали образцы крови для выделения ДНК. Они секвенировали более четырех миллионов однонуклеотидных полиморфизмов (участков ДНК, отличающихся всего одним нуклеотидом, то есть заменой одной «буквы» генетического алфавита). Они обнаружили четыре ключевые области генома, где специфические однонуклеотидные полиморфизмы коррелируют с цветом кожи.
Первый сюрприз заключался в том, что ген SLC24A5, характерный для европейцев, также распространен в Восточной Африке, где встречается почти у половины представителей некоторых народов Эфиопии. Этот вариант возник 30 000 лет назад и, вероятно, был принесен в Восточную Африку людьми, мигрирующими с Ближнего Востока. Но, хотя он есть у многих восточных африканцев, кожа их не стала белой, так как SLC24A5 – всего один из ряда генов, от которых зависит цвет кожи.
Исследователи также обнаружили варианты двух соседних генов: HERC2 и OCA2, которые ассоциируются со светлой кожей, светлым цветом глаз и волос у европейцев, возникли в Африке. Они очень древние и распространены у народа сан. Авторы работы предполагают, что эти варианты возникли в Африке уже один миллион лет назад и позже перешли к европейцам и азиатам. «Многие варианты генов, которые вызывают светлую кожу в Европе, происходят из Африки», – говорит Сара Тишкофф.
Самое драматическое открытие касалось гена MFSD12. Две мутации, уменьшающие экспрессию этого гена, с высокой частотой встречаются у людей с самой темной кожей. Эти варианты возникли около полумиллиона лет назад, так что у более древних людей могла быть только умеренно темная кожа, а не глубокий черный цвет, который встречается сейчас благодаря этим мутациям. Эти же два варианта встречаются у меланезийцев, австралийских аборигенов и некоторых индейцев. Возможно, они унаследовали данные варианты гена от древних мигрантов из Африки, которые следовали по «южному маршруту» из Восточной Африки, вдоль южного побережья Индии до Меланезии и Австралии. Возможно, среди них были носители и других вариантов, связанных с более светлым оттенком, но они были утрачены по дороге до Меланезии.
Авторы работы провели лабораторный эксперимент, чтобы понять, как действуют мутации гена MFSD12 на цвет кожи. Они сократили экспрессию данного гена в клеточных культурах, имитируя тот его вариант, который встречается у людей с темной кожей. Клетки стали производить больше эумеланина, пигмента, определяющего черную и коричневую окраску кожи, волос и радужных оболочек глаз. Другой вариант мутации блокирует производство желтых пигментов, что также ведет к более темной окраски. Этот эффект ученые воспроизвели на рыбах данио рерио и лабораторных мышах.
Результаты, которые получили Сара Тишкофф и ее коллеги, показывают, что традиционная классификация вида Homo sapiens на расы не отражает действительной его истории. Как выясняется, некоторые варианты генов из Евразии позднее вновь оказались в Африке, а мутации, связанные со светлым цветом кожи европейцев имеют африканское происхождение. Сара Тишкофф говорит, что внутри Африки наблюдается столь высокий уровень разнообразия, что нельзя говорить о такой вещи, как единая африканская раса.
Международный коллектив исследователей в результате генотипирования двух тысяч человек, проживающих в разных регионах Африки, обнаружил основные генетические варианты, ответственные за интенсивность пигментации кожи. Судя по всему, варианты, ответственные за темную кожу, объединяют африканцев с южноазиатской и австрало-меланезийской популяциями, а один из аллелей, связанных со светлокожестью, оказался неафриканского происхождения и был принесен извне. Кроме того, ученым удалось установить функцию одного из генов (MFSD12 ), полиморфизмы в котором ассоциированы с цветом кожи у людей. Исследование опубликовано в журнале Science .
Цвет кожи является важной адаптацией для проживания на той или иной широте и варьирует в довольно большом диапазоне - к примеру, среди африканцев можно встретить как людей с относительно светлой кожей, так и абсолютно черных. Интенсивность пигментации коррелирует с интенсивностью ультрафиолетового излучения, характерного для данного региона. Максимума оно достигает на экваторе, а минимума - в высоких широтах, где живут самые светлокожие люди. В то время как темная кожа защищает своего обладателя от избытка ультрафиолета, белая кожа является адаптацией к его недостатку, так как некоторое количество ультрафиолета необходимо для синтеза витамина D.
Распределение интенсивности ультрафиолетового излучения, выраженного в количестве доз ультрафиолета, необходимого для "обгорания" кожи (erythemal dose)
Основным пигментом, обеспечивающим защиту от ультрафиолета, является меланин. Он синтезируется в специальных клетках - меланоцитах, локализованных в глубоких слоях кожных покровов.
Цвет кожи является сложным генетическим признаком - разные гены определяют количество, структуру и распределение пигмента. Исследования на животных позволили выделить около 350 генов, которые так или иначе связаны с пигментацией, однако у людей, судя по всему, их гораздо меньше.
Исследователи из нескольких американских университетов в сотрудничестве с коллегами из Ботсваны, Танзании и Эфиопии провели масштабный поиск генетических вариантов, которые определяют разнообразие оттенков кожи. В исследовании приняло участие 2092 человека, у которых по отражению света от кожи количественно определили интенсивность пигментации и взяли анализ крови для генотипирования. Участники представляли разные этносы, проживающие на территории перечисленных выше стран. Кроме того, для сравнения привлекли геномы представителей евразийской и австрало-меланезийской популяций, прочитанные ранее.
Среди испытуемых самой светлой кожей обладали представители народа сан (бушмены), проживающие на юге Африки, а самой темной - представители нило-сахарской языковой макросемьи Восточной Африки. Наиболее значимые ассоциации с цветом кожи были найдены для четырех генетических локусов - полиморфизмы в генах SCL24 A5, MSFD12 и в регуляторных участках генов DDB1/ TMEM138 и OCA2/ HERC2 . По расчетам ученых, вариации в этих локусах определяют примерно 30 процентов наблюдаемого разнообразия. Таким образом, у людей цвет кожи хотя и комплексный признак, но не такой сложный как, например, рост.
Примеры распространения аллелей генов SLC24A5 (слева) и MFSD12 (справа) в мировых популяциях. Вариант SLC24A5 (G) ассоциирован с темной кожей, а SLC24A5 (А) - со светлой. Вариант MFSD12 (T) ассоциирован с темной кожей, а MFSD12 (С) - с более светлой
Nicholas G Crawford et al / Science, 2017
Для некоторых из найденных генов функции были известны, к примеру, продукт гена DDB1 (Damage Specific DNA Binding Protein 1) участвует в репарации повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетом, а OCA2 кодирует транспортер ионов, который регулирует кислотность в меланосомах. Однако для гена MSFD12 , вариации в котором определяют почти пять процентов разнообразия, функция не была установлена. В рамках исследования авторы работы постарались это сделать.
Было известно, что две мутации, расположенные в гене MSFD12 , встречаются только в африканской популяции, особенно на востоке, и ассоциированы с самой темной кожей. Исследователи обнаружили, что данные полиморфизмы связаны со сниженной экспрессией гена. Когда экспрессию MSFD12 искусственно понизили в меланоцитах, клетки стали накапливать черный пигмент. Таким образом, функция белка MSFD12 оказалась связана с подавлением синтеза меланина.
Сильнее всего с цветом кожи африканцев оказался связан полиморфизм в гене SCL24 A5 , который также экспрессируется в меланоцитах и кодирует ионный транспортер. Исследователи показали, что аллель этого гена, ассоциированная со светлой кожей, распространена в африканских популяциях с установленным азиатским происхождением (Эфиопия и Танзания), но редко встречается в «коренных» африканских популяциях сан и Ботсваны. По всей видимости, этот вариант появился в Африке в результате потока генов из Евразии в последние 3-9 тысяч лет, а там его присутствие прослеживается в течение 30 тысяч лет.
Ранее было известно, что «светлокожий» вариант этого гена является обычным среди европейцев и закрепился в популяции в результате отбора. Более того, светлокожие аллели были найдены и в неандертальском и денисовском геноме, что подтверждает гипотезу о том, что темный цвет кожи является поздним приобретением, а наши предки после потери волос на теле были скорее умеренно пигментированы.
Ранее мы об исследовании немецких ученых, которые предположили, что светлая кожа современных европейцев досталась им в наследство от древних охотников и собирателей, обитавших на этой территории, но не от первых земледельцев, пришедших из Азии.
Дарья Спасская
Цвет кожи - одна из наиболее изменчивых характеристик у человека как вида. Считается, что она имеет адаптивный характер, то есть подстраивается под условия окружающей среды, с тем чтобы получить максимальную пользу для организма. Так, темный цвет кожи позволяет защитить ее от негативных последствий избыточного ультрафиолетового излучения в регионах с жарким климатом, а светлая кожа обеспечивает повышенный синтез D в регионах, где мало солнечного света.
Между тем до сих пор было известно всего о нескольких генах, связанных с цветом кожи, причем все они были выявлены в результате исследований на генетическом материале жителей Европы. Авторы нового исследования сфокусировались на Африке, не только потому, что этот континент считается колыбелью человечества, но и потому, что палитра оттенков кожи жителей этого региона отличается наибольшим разнообразием - от светло-коричневого до практически черного.
Сопоставление генетической информации почти 1600 человек из этнически разных популяций и данных о пигментации их кожи позволило выявить шесть участков генома, от мутаций в которых зависят различия в оттенках кожи. Благодаря этому ученым удалось найти ответы на некоторые загадки эволюции человека. Например, стало понятно, почему у жителей Восточной Африки кожа более светлая, чем у других африканцев.
Большинство вновь открытых генетических вариантов - очень древние. Мутации, связанные с темным и светлым цветом кожи, появились более 300 тысяч, а некоторые около миллиона лет тому назад, еще до существования современного человека. При этом наиболее старые генетические вариации определяют именно светлый оттенок кожи. Это заставляет предположить, что наши предки были скорее светлокожими, а не темнокожими, отметила ведущий автор исследования Сара Тишкофф (Sarah Tishkoff ) из Университета штата Пенсильвания (США).
По мере потери волосяного покрова и выхода из джунглей в саванну, первым людям потребовалась более темная кожа. Тишкоф и ее коллеги смогли выявить следы этих генетических изменений - часть вновь открытых вариантов, определяющих оттенок кожи, связана с реакцией на ультрафиолетовое излучение и риском меланомы ().
В частности, речь идет о варианте гена DDB 1, связанном с темным цветом кожи и ответственном за восстановление ДНК в клетках кожи после солнечного облучения. Африканцы сравнительно редко болеют . При этом «защитный» вариант этого гена наиболее часто встречается у жителей регионов с наиболее сильным ультрафиолетовым излучением. Как полагает Тишкофф, именно эта мутация играет ключевую роль в низком уровне заболеваемости кожи в странах Африки. В то же время вне Африки эта мутация не поддерживается естественным отбором, у людей со светлой кожей она практически не встречается. Такое «переключение» произошло от 60 до 80 тысяч лет тому назад, примерно тогда, когда современные люди начали мигрировать с африканского континента.
Исследователи под руководством Сары Тишкофф (Sarah Tishkoff) из Пенсильванского университета опубликовали работу, где прослеживается эволюция и распространение по миру генов, определяющих цвет кожи человека.
По словам ученых, предки человека - австралопитеки - имели светлую кожу, покрытую шерстью. «Если вы побреете шимпанзе, вы увидите, что его кожа светлая, - рассказывает Сара Тишкофф. - Если у вас есть волосы на теле, вам не нужна темная кожа для защиты от ультрафиолетового излучения». До недавнего времени предполагалось, что после того, как предки людей утратили большую часть на теле (около двух миллионов лет назад), они быстро обзавелись темной кожей для защиты от вредных последствий ультрафиолетового излучения. Затем, когда люди мигрировали из Африки и попали в более северные широты, их кожа стала светлой в качестве адаптации к недостатку солнечного света, так как бледная кожа синтезирует больше витамина D.
Предыдущие исследования генов цвета кожи, соответствовали этой картине. Например, «ген депигментации» (SLC24A5), связанный со светлой кожей, распространился по европейским популяциям за последние 6000 лет. Работа Тишкофф и ее коллег показала, что не все так просто.
Авторы работы измерили коэффициент отражения кожи у 2092 человек из Эфиопии, Танзании и Ботсваны. Самая темная кожа обнаружилась у скотоводов Восточной Африки, таких как народы мурси и сурма, самая светлая - у народа сан в Южной Африке. Помимо них обнаружилось множество переходных оттенков. Одновременно исследователи собирали образцы крови для выделения ДНК. Они секвенировали более четырех миллионов однонуклеотидных полиморфизмов (участков ДНК, отличающихся всего одним нуклеотидом, то есть заменой одной «буквы» генетического алфавита). Они обнаружили четыре ключевые области генома, где специфические однонуклеотидные полиморфизмы коррелируют с цветом кожи.
Первый сюрприз заключался в том, что ген SLC24A5, характерный для европейцев, также распространен в Восточной Африке, где встречается почти у половины представителей некоторых народов Эфиопии. Этот вариант возник 30 000 лет назад и, вероятно, был принесен в Восточную Африку людьми, мигрирующими с Ближнего Востока. Но, хотя он есть у многих восточных африканцев, кожа их не стала белой, так как SLC24A5 - всего один из ряда генов, от которых зависит цвет кожи.
Исследователи также обнаружили варианты двух соседних генов: HERC2 и OCA2, которые ассоциируются со светлой кожей, светлым цветом глаз и волос у европейцев, возникли в Африке. Они очень древние и распространены у народа сан. Авторы работы предполагают, что эти варианты возникли в Африке уже один миллион лет назад и позже перешли к европейцам и азиатам. «Многие варианты генов, которые вызывают светлую кожу в Европе, происходят из Африки», - говорит Сара Тишкофф.
Самое драматическое открытие касалось гена MFSD12. Две мутации, уменьшающие экспрессию этого гена, с высокой частотой встречаются у людей с самой темной кожей. Эти варианты возникли около полумиллиона лет назад, так что у более древних людей могла быть только умеренно темная кожа, а не глубокий черный цвет, который встречается сейчас благодаря этим мутациям. Эти же два варианта встречаются у меланезийцев, австралийских аборигенов и некоторых индейцев. Возможно, они унаследовали данные варианты гена от древних мигрантов из Африки, которые следовали по «южному маршруту» из Восточной Африки, вдоль южного побережья Индии до Меланезии и Австралии. Возможно, среди них были носители и других вариантов, связанных с более светлым оттенком, но они были утрачены по дороге до Меланезии.
Авторы работы провели лабораторный эксперимент, чтобы понять, как действуют мутации гена MFSD12 на цвет кожи. Они сократили экспрессию данного гена в клеточных культурах, имитируя тот его вариант, который встречается у людей с темной кожей. Клетки стали производить больше эумеланина, пигмента, определяющего черную и коричневую окраску кожи, волос и радужных оболочек глаз. Другой вариант мутации блокирует производство желтых пигментов, что также ведет к более темной окраски. Этот эффект ученые воспроизвели на рыбах данио рерио и лабораторных мышах.
Результаты, которые получили Сара Тишкофф и ее коллеги, показывают, что традиционная классификация вида Homo sapiens на расы не отражает действительной его истории. Как выясняется, некоторые варианты генов из Евразии позднее вновь оказались в Африке, а мутации, связанные со светлым цветом кожи европейцев имеют африканское происхождение. Сара Тишкофф говорит, что внутри Африки наблюдается столь высокий уровень разнообразия, что нельзя говорить о такой вещи, как единая африканская раса.
Найден ген, который, вероятно, отвечает за цвет кожи человека
Группа генетиков из Пенсильванского университета, изучая аквариумных рыбок-зебр (Zebra-fish), обнаружила , который, скорее всего, играет определяющую роль в формировании цвета кожи у человека.
Цвет кожи человека зависит от количества и размера меланосом - маленьких пигментных гранул в особых клетках меланоцитах, а также от цвета пигмента, содержащегося в этих гранулах. На сегодня известно около сотни генов, которые вовлечены в процесс выработки пигмента. Изменения в некоторые из них связаны, например, с таким нарушением, как альбинизм . Однако ни с одним из генов не удавалось пока связать характерные расовые различия в пигментации кожи. Такую же природу имеет пигментация кожи и у других животных.
Группа под руководством Кейта Ченга (Keith Cheng) при Пенсильванском университете много лет занималась природой рака кожи. В работе использовалась аквариумная рыба-зебра (danio rerio, англ. "Zebrafish"), уже ставшая традиционной моделью для генетических исследований. Неожиданная находка оказалась побочным результатом работы. Исследователи обнаружили, что рыбы-зебры особой разновидности (так называемые золотые) имеют более мелкие и редкие меланосомы с более светлым пигментом.
Более тщательный анализ позволил связать эту особенность с мутацией, в результате которой один из белков, который называется slc24a5 , синтезируется в сокращенном виде, что и приводит к изменениям в пигментации, сообщает сайт PhysOrg. Когда золотым рыбам-зебрам ввели нормальный белок, у них восстановилась обычная окраска. Но самым интересным оказалось то, что ген, ответственный за синтез этого белка, есть практически у всех позвоночных животных, в том числе и у человека. Причем раньше его никогда не связывали с механизмами пигментации.
Чтобы окончательно разобраться с этой находкой, Кейта Ченг обратился за помощью к коллеге Марку 
Шрайверу (Mark Shriver), который специализируется на эволюционной генетике человека и физиологии пигментации.
Начав с базы данных вариаций человеческого HapMap, исследователи обнаружили в том же гене, который вызвал изменения окраски у рыбок, (так называемый SNP - single nucleotide polymorphism) в одной из позиций. Причем у жителей Западной Африки и Восточной Азии в этой позиции этот ген в точности такой же, как у других позвоночных животных, включая шимпанзе и рыбу-зебру, а у европейцев обнаружено отличие всего в одном нуклеотиде.
Чтобы убедиться в связи найденной мутации с цветом кожи, Шрайвер проанализировал наличие данной мутации у метисов - потомков межрасовых браков. Результаты показали, что у людей, которые несут европейскую версию гена, кожа, как правило, светлее, чем у тех, у кого сохранилась древняя вариация. В итоге, исследователи пришли к выводу, что вклад выявленной мутации в определение цвета кожи человека составляет от 25 до 38%.
Группа считает, что расовые различия в цвете глаз и волос европеоидов также могут быть связаны с вариацией гена SLC24A5, однако различия в цвете кожи жителей Восточной Азии связаны с изменениями в других генах, которые пока еще не обнаружены. Предполагается, что данная мутация у европейцев является приспособительной. Уменьшение пигментации необходимо для того, чтобы в условиях пониженного солнечного освещения поддержать на достаточном уровне синтез витамина D в коже, который предотвращает развитие рахита.
