«Эта конкретная генетическая изменчивость у людей связана со светлыми волосами, но не связана с цветом глаз или другими признаками пигментации», — говорит Дэвид Кингсли, исследователь HHMI из Стэнфордского университета, руководивший исследованием. «Специфика переключателя показывает, как именно независимые изменения цвета могут быть закодированы для создания определенных черт у людей». Кингсли и его коллеги опубликовали свои выводы в выпуске журнала Nature Genetics от 1 июня 2014 года.
Кингсли говорит, что несколько генов, вероятно, определяют цвет волос у людей, однако точная молекулярная основа этого признака остается плохо изученной. Но открытие Кингсли генетического переключения цвета волос началось не с глубокого интереса к золотым прядям. Все началось с рыбы.Более десяти лет Кингсли изучал трехиглую колючку, небольшую рыбу, морские предки которой начали колонизировать озера и ручьи в конце последнего ледникового периода.
Изучая, как колюшки адаптировались к местам обитания по всему миру, Кингсли обнаруживает доказательства молекулярных изменений, которые движут эволюцией. В 2007 году, когда его команда исследовала, как разные популяции рыб приобрели цвет кожи, они обнаружили, что изменения в одном и том же гене привели к изменениям пигментации у рыб, обитающих в различных озерах и ручьях по всему миру. Они задавались вопросом, верно ли то же самое не только в отношении многочисленных водоемов, в которых эволюционировали колюшки, но и среди других видов.
Геномные исследования, проведенные другими группами, показали, что ген — лиганд Kit — действительно имеет эволюционное значение для людей. «Тот же самый ген, который мы обнаружили, контролирующий цвет кожи у рыб, показал один из самых сильных признаков отбора в различных человеческих популяциях по всему миру», — говорит Кингсли. Его команда продолжила показывать, что у людей разные версии лиганда Kit были связаны с различиями в цвете кожи.
Более того, как у рыб, так и у людей генетические изменения, связанные с различиями в пигментации, были далеки от ДНК, кодирующей белок лиганда Kit, в областях генома, где находятся регуляторные элементы. «Похоже, что регуляторные мутации у рыб и людей меняли пигмент», — говорит Кингсли.Последующие исследования колюшки Кингсли показали, что когда в разных популяциях рыб появляются новые признаки, примерно в 85% случаев ответственны за это изменения в регуляторной ДНК. Полногеномные исследования ассоциации также связали многие человеческие черты с изменениями в регуляторной ДНК. Однако отслеживание конкретных регуляторных элементов на огромном пространстве генома может быть сложной задачей.
«Мы должны быть отчасти разборчивы в том, какие регулирующие элементы мы решаем более подробно», — говорит Кингсли. «Мы думали, что цвет человеческих волос не менее интересен, чем цвет кожи колюшки». Поэтому его команда сосредоточила свои усилия на пигментации человека, которая давно привлекала внимание в истории, искусстве и массовой культуре.Kit-лиганд кодирует белок, который помогает развитию клеток, продуцирующих пигмент, поэтому логично предположить, что изменение его активности может повлиять на цвет волос или кожи.
Но белок-лиганд Kit также играет множество других ролей во всем организме, влияя на поведение стволовых клеток крови, предшественников сперматозоидов или яйцеклеток и нейронов в кишечнике. Кингсли хотел знать, как изменения в ДНК, окружающей этот важный ген, могут приводить к изменениям окраски без включения других функций лиганда Кит.
Кэтрин Гюнтер, специалист по исследованиям HHMI в лаборатории Кингсли, начала эксперименты по поиску регулирующих переключателей, которые могли бы конкретно контролировать цвет волос. Она вырезала сегменты ДНК человека из области, участвовавшей в предыдущих исследованиях генетической ассоциации блондинов, и связала каждый фрагмент с репортерным геном, который при включении дает характерный синий цвет.
Когда она ввела их мышам, она обнаружила, что один фрагмент ДНК включает активность гена только в развивающихся волосяных фолликулах.«Когда мы обнаружили переключатель волосяного фолликула, мы могли спросить, чем отличаются блондинки от брюнеток в Северной Европе», — сказал Кингсли. Изучая ДНК в этом регуляторном сегменте, они обнаружили одну букву генетического кода, которая различалась у людей с разным цветом волос.Их следующим шагом было проверить влияние каждой версии на активность гена лиганда Kit.
Их предварительные эксперименты, проведенные на культивируемых клетках, показали, что передача гена под контроль переключателя «блонд» снижает его активность примерно на 20 процентов по сравнению с версией переключателя «брюнетка». Изменение казалось незначительным, но Кингсли и Гюнтер подозревали, что они определили критическую точку в последовательности ДНК.Затем ученые сконструировали мышей с геном лиганда Kit, находящимся под контролем брюнетки или усилителя светлых волос. Используя технологию, разработанную Liqun Luo, который также является исследователем HHMI в Стэнфорде, они смогли гарантировать, что каждый ген был вставлен точно таким же образом, так что пара мышей отличалась только одной буквой в переключателе волосяного фолликула — — на одном была предковая версия, на другом — светловолосая.
«Конечно, когда вы смотрите на них, одной пары оснований достаточно, чтобы осветлить цвет волос животных, даже при том, что разница в экспрессии генов составляет всего 20 процентов», — говорит Кингсли. «Это хороший пример того, как тонко настроенные регуляторные различия могут приводить к появлению различных черт. Генетический механизм, контролирующий светлые волосы, не меняет биологию какой-либо другой части тела. Это хороший пример такой черты, как кожа. глубоко — и только на коже ".Учитывая диапазон активности Кит-лиганда во всем организме, Кингсли говорит, что многие такие регуляторные элементы, вероятно, разбросаны по всей ДНК, окружающей ген. «Мы думаем, что в геноме полно переключателей», — говорит он.
И подобно переключению цвета волос, многие из регуляторных элементов, которые контролируют лиганд Kit и другие гены, могут тонко регулировать активность. «Немного вверх или вниз рядом с ключевыми генами — а не включение или выключение — достаточно, чтобы вызвать существенные различия. Фокус в том, какие переключатели изменились, чтобы произвести какие черты?
«Несмотря на проблемы, теперь у нас явно есть методы, позволяющие связать черты с конкретными изменениями ДНК. Я думаю, что в будущем вы увидите гораздо больше исследований этого типа, что приведет к гораздо лучшему пониманию как молекулярных основ человеческого разнообразия. и о восприимчивости или устойчивости ко многим распространенным заболеваниям », — сказал Кингсли.