V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разнообразие цвета глаз и волос человека, как пример изменчивости, которая детерменируется генами, но не зависит от давления внешней среды
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Научно-исследовательская работа
Введение:
Интересным свойством генома человека является то, что он большей частью состоит из бессмысленного текста. Геном человека напоминает открытое море, где разбросаны редкие островки значимой информации. Эта значимая информация представлена экзонами — участками генов, кодирующими белки и регуляторными элементами: энхансерами, сайленсерами, инсуляторами. На долю экзонов в геноме приходится только 1% информации, доля регуляторных элементов составляет 6-7%, вся остальная часть генома представляет собой так называемую мусорную ДНК («Junk DNA»). Мутации, затрагивающие участки мусорной ДНК, не влияют на функции организма и не проявляются в фенотипе. Мутации, затрагивающие кодирующие участки генов и регуляторные элементы, могут привести 1) к нарушению работы организма, а могут привести 2) к появлению нескольких вариантов нормы, которые имеют адаптивное значение в разных условиях среды. Возможны даже такие случаи, когда мутации затрагивающие кодирующие участки генов 3) не имеет никакого функционального смысла, т.е. не приводят ни к нарушениям физиологии, ни к адаптивным преимуществам, но ярко проявляется в фенотипе в виде разных вариантов признака. Изменчивость, которая вызывается мутациями первого типа, хорошо описана для разных врожденных заболеваний. Изменчивость, вызванная мутациями второго типа, также описана для разных генных полиморфизмов, которые обеспечивают адаптацию к разным типам диеты, паразитам или климату. Поэтому интересно найти пример изменчивости, которая жестко определяется генами, не имеет адаптивного значения, ярко проявляется в фенотипе вне зависимости от условий среды и передается по наследству в ряду поколений. Было выдвинуто предположение, что примером такой изменчивости может быть цвет волос и глаз.
Цель работы:
Найти пример генетической изменчивости, которая проявляется в фенотипе, но не имеет функционального и адаптивного значения. Для осуществления цели работы были поставлены следующие задачи.
Задачи работы:
Изучить особенности генетического контроля пигментации волос и радужки глаз у человека, понять его принцип и описать его схему.
Описать генетические полиморфизмы, влияющие на изменение пигментации волос и радужки глаз.
Выявить закономерности с связанные с их географическим распространением у населения Мира.
Степень изученности проблемы:
Полиморфизм цвета волос и глаз в разных человеческих популяциях хорошо описан в антропологической литературе [1]. Описана схема генетического контроля метаболизма пигментов, полиморфизм генов, участвующих в этом процессе [2,3,4,5]. Но накопленный эмпирический материал до сих пор требует теоретического осмысления с целью выявления в нем существующих закономерностей.
Личный вклада авторов:
Авторы осуществили самостоятельно литературный анализ источников с использованием библиографической базы PubMed,анализ свойств белков и кодирующих их генов с использованиембиологических банков данныхUniProt и GenBank, концептуальный анализ доступных фактов и выявленных закономерностей.
Основная часть
§ 1Схема генетического контроля пигментации волос и радужки глаз у человека
У человека пигментация глаз (точнее радужки глаз), волос и кожи определяется пигментами меланинами. Существует 2 типа меланинов: черный эумеланин и красно-желтый феомеланин. Различия цвета глаз, волос и кожи у разных людей зависят от соотношения этих двух разновидностей пигментов [5].
Синтез меланинов обоих типов осуществляют специализированные клетки меланоциты. В этих клетках он происходит в особых органеллах меланосомах, которые представляют пузырьки-везикулы, чье внутреннее содержимое отделено мембраной пузырька от остальной среды клетки [Приложение 1]. Процесс биосинтеза пигментов управляется слаженной работой особых генов, которые включаются в строго определенном порядке. Этот порядок напоминает режиссерский сценарий. За счет эпигенетических механизмов он воплощается только в клетках меланоцитов и не реализуется в других клетках организма [5].
Метаболический путь биосинтеза меланинов в меланоцитах активируется геном MC1R. Белок экспрессируемый этим геном является клеточным рецептором, который связывает меланоцит-стимулирующий гормон α-MSH, вырабатываемый гипофизом. Связывание рецептора MC1R с меланоцит-стимулирующим гормоном, способствует повышению циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Циклический аденозинмонофосфат активирует ген MITF, а белковый продукт гена MITF в свою очередь активирует гены ферментов, которые уже непосредственно осуществляют синтез меланинов из тирозина путем его полимеризации. Они включают продукты генов TYR, TYRP1 и DCT. В метаболизме меланинов, не менее важную роль играют также белки переносчики субстратных молекул и ионов в мембране пузырьков-меланосом, которые создают нужные условия для протекания реакций синтеза меланинов, а также трансмембранные рецепторы меланосом, инициирующие созревание меланосом из недиффиренцированных везикул. Эти белки кодируются генами: SLC24A2 (MATP), KITLG, OCA2, SLC24A4, IRF4 [2, 5, 10] [Приложение 1].
Особое место в генетической детерминации биосинтеза меланинов занимает ген HERC2. Белок кодируемый этим геном не оказывает влияния на пигментацию, но в интроне HERC2 гена находится регуляторный элемент - сайленсер, который способен при его активации ингибировать инициацию транскрипции промотора гена OCA2 [4]. Поэтому некоторые мутации в первичной последовательности интрона гена HERC2, даже если они не принесут изменений в кодируемый им белковый продукт, могут оказать влияние на гены, вовлеченный в синтез меланинов.
Синтез эумеланина (черной разновидности пигмента) является основным путем образования меланинов, а синтез феомеланина (красно-желтой разновидности пигмента) — альтернативным. Переключение путей биосинтеза осуществляется за счет изменения концентрации циклического аденозинмонофосфата и серосодержащей аминокислоты цистеина. Если концентрация циклического аденозинмонофосфата уменьшается, а концентрация цистеина увеличивается, то синтез смещается в сторону образования красно-желтого феомеланина. Если концентрация циклического аденозинмонофосфата увеличивается, а концентрация цистеина уменьшается синтез смещается в сторону образования черного эумеланина. Это процесс может дополнительно регулироваться активацией гена ASIP/PIGU. Кодируемый этим геном белок негативно влияет на концентрацию циклического аденозинмонофосфата. Включение этого гена ее уменьшает, а выключение увеличивает [2, 10].
Описанная схема генетического контроля метаболизма меланинов универсальна для всех 3 типов тканей: кожи, радужки и волос. Но в некоторых случаях, в процесс биосинтеза пигментов могут вовлекаются и ряд дополнительных генов [5].
§ 2 Генетические полиморфизмы, влияющие на изменение пигментации волос и радужки глаз.
Очевидно, что каждый из генов, контролирующих биосинтез пигментов меланинов, подвержен мутациям, которые могут усиливать, ослаблять или изменять этот процесс особенности на каждом этапе. Поэтому существует несколько разновидностей белков-ферментов и белков-рецепторов, являющихся разными версиями схожих “винтиков”, и “гаек” в механизме метаболизма меланинов. Интересно, что изменение структуры “белков-винтиков” в одних случаях влияет на все 3 типа ткани: кожу, радужку и волосы, в других случаях изменение структуры белков-винтиков влияет на пигментацию только в одном типе тканей, мало влияя на другие типы тканей [11].
Разнообразие оттенков волос определяется большим числом полиморфных локусов, чем разнообразие оттенков глаз. На изменение цвета волос влияют мутации в гене MC1R: инсерция N29insA и однонуклеотидные замены (SNP) в локусах rs1805006, rs11547464, rs1805007, rs1805008, rs1805009, rs1805005, rs2228479, rs1110400, rs885479. Также к мутациям, меняющим окрас волосяного покрова, относятся однонуклеотидные замены (SNP) в локусах rs1042602 гена TYR, rs28777 и rs16891982 гена SLC45A2 (MATP), rs683 гена TYRP1, rs2402130 гена SLC24A4, гена rs12821256 KITLG, rs2378249 гена PIGU/ASIP, rs12913832 гена HERC2, rs1800407 гена OCA2, rs12203592 гена IRF4. Уолшем с соавторами выведена схема межаллельных взаимодействий, в соответствии с которой можно надежно определить цвет волос [11] [Приложение 2].Но известен интересный случай, когда мутация в одном локусе приводит к светлому окрасу волос, даже если остальные гены, будут способствовать темному цвету волосяного покрова. Это мутация в локусе rs13289810 гена TYRP, которая представляет замену C/T. Гомозиготные индивиды rs13289810*T являются блондинами. Этот аллель распространен в Меланезии [7].
На окраску радужки влияют мутации в нуклеотидных последовательностях генов HERC2, OCA2, SLC45A2 (MATP), SLC24A4, TYR, IRF4. На цвет глаз не оказывает влияния полиморфизм в других генах, таких как TYRP1, ASIP/PIGU и пр. К мутациям, изменяющим окраску радужки относятся однонуклеотидные замены в локусах: rs7495174, rs6497268, rs11855019 гена OCA2, в локусе rs12913832 гена HERC2, в локусе rs16891982 SLC45A2 (MATP), в локусе s12896399 SLC24A4, в локусе rs1393350 TYR и в локусе rs12203592 IRF4 [4,5,10].
Наибольший вклад в окраску радужки вносят мутации в генах SLC45A2 (MATP), OCA2 и энхансере, который расположен в интроне гена HERC2 и контролирует работу гена OCA2. Замена G/A в локусе rs12913832 энхансера, определяет светлые (голубые, серые, зеленые) или темные (карие) оттенки глаза. Генотипы GA, AA способствуют формированию темных оттенков глаз, генотип GG способствует формированию светлых оттенков глаз [4,10].
Замены в локусах rs7495174, rs6497268, rs11855019 гена OCA2 способствуют формированию разных оттенков глаз в разных комбинациях. Так носители генотипа вписать TGT/TGT в 60% случаях обладают голубым или серым и примерно в 30% зеленым цветом глаз. Носители генотипа TGT/TTC в 50% случаев обладают голубым или серым, в 20% — зеленым, в 30% карим цветом глаз. Носители генотипов TGT/CTC, TTT/TTC, CTC/CTC TTT/TTT, TTC/CGT, TTC/CTC, TTT/CTC, TGC/CTC, TTC/TTC, TGT/CTT, TTT/CGT, TGC/TGC 70-100% обладают карим цветом глаз, а в остальных случаях 0-30 % зеленым цветом глаз [3, 10].
У гена SLC45A2 (MATP) существует два аллельных варианта, влияющие на цвет глаз, которые отличаются SNP заменой С/G в локусе rs16891982. Генотипы CC, CG способствуют проявлению карих оттенков глаз, генотип GG — светлых оттенков глаз [10].
Если аллельные варианты у первых двух генов допускают проявление светлых оттенков глаз, тогда полиморфизм в генах SLC24A4, TYR, IRF4, будет влиять на формирование либо голубого, либо серого и зеленого цвета радужки.У гена SLC24A4, существует два аллельных варианта, которые отличаются SNP заменой T/G в локусе rs12896399, где T аллель способствует приобретению оболочкой радужки голубого оттенка, G аллель — серого или зеленого цвета. У гена TYR, существует два аллельных варианта, которые отличаются SNP заменой rs1393350 G/A, где A аллель определяет в фенотипе проявление голубого, а С аллель — зеленого цвета глаз. У гена IRF4 локус rs12203592, существует два аллеля, которые отличаются заменой С/T в этом локусе, где T аллель способствует формированию голубого, а С - аллель серого или зеленого цвета глаз [4,10].
§ 3 Географические закономерности, связанные с распространением цвета волос и глаз у населения Мира.
В распространении цвета глаза кожи, волос и глаз, а также в распространении аллелей, влияющих на эти признаки, выявлен ряд закономерностей.
В случае пигментации кожных покровов установлено, что темные оттенки кожи (и связанные с ними аллели), распространены в областях с повышенной инсоляцией, в то время как светлые оттенки кожи распространены в тех областях Мира, которые имеют недостаток солнечного освещения [5,6] [Приложение 3]. Раньше предполагалось, что темные оттенки кожи должны способствовать ее защите от рака. Эти данные не подтверждаются в современных исследованиях, но установлено, что темные оттенки кожи очень важны для предотвращения от фотодеградации фолиевой кислоты (витамин B9), которая необходима для биосинтеза ДНК и ее репарации. Снижение концентрации фолата в кожных сосудах из-за воздействия солнечного света во время его циркуляции по всему кровеносному руслу может даже негативно влиять на беременность женщин [5]. Светлые оттенки кожи, способствуют усилению синтеза витамина D, в тех областях, которые имеют недостаток освещенности. Поэтому в южных странах, где высокий уровень солнечной инсоляции, более важно предотвратить разрушение фолиевой кислоты, а в более северных широтах актуальнее нехватка витамина D (здесь проблема разрушения фолиевой кислоты из-за нехватки солнца не так актуальна) [5]. Светлые оттенки распространены не только у северных европеоидов, но и среди северных монголоидных популяций Сибири [1,12], а по данным древней ДНК, светлые оттенки кожи были распространены также и среди северных групп неандертальцев [8]. Темные оттенки кожи встречаются, не только у населения Субсахарской Африки, Меланезии и Австралии, но и в южных европеиодных и монголоидных популяциях [1,5]. В силу этого цвет кожи у человека несомненно зависит от окружающей среды и подвержен влиянию отбора.
В отличие от аллелей, влияющих на оттенки кожи, комбинации аллелей, влияющих на оттенки глаз не имеют никакой зависимости от условий освещенности. Темные оттенки глаз широко распространены среди популяций северных широт. Светлые оттенки глаз, которые могли бы защищать от лишнего излучения нередко встречаются в популяциях южных европеоидов, имеющих при этом темные оттенки кожи (например, у берберов Сахары и калашей Пакистана) [1, 5][Приложение 4]. В случае цвета глаз этот вывод получает дополнительное подтверждение при сравнении изменчивости цвета радужки у человека с изменчивостью цвета глаз у животных. Несмотря на то, что цвет глаз у животных изучен плохо, известно, что у тропических птиц цвет глаз имеет чаще всего голубые, а не темные оттенки [9]. Этот факт еще раз доказывает, что цвет глаз не связан с приспособлением к излишней освещенности.
Цвет волос также не подчиняется закономерностям, связанным с. Так очень светлые оттенки волос характерны для европейских популяций северной Европы и преобладают у индивидов гомозиготных по аллелю rs12821256*G в гене KITLG (если аллели остальных генов способствуют уменьшению синтеза меланинов обоих типов) [5,10] Но светловолосые фенотипы встречаются и в Меланезии у индивидов гомозиготных по аллелю rs13289810*T гена TYRP [7]. Интереснее всего, что носители этого генотипа имеют блондинистый цвет волос, обладая исключительно темными оттенками кожи [Приложение 5].
Заключение:
Сопоставление и анализ выявленных фактов, позволяет считать нашу гипотезу доказанной. Цвет волос и глаз, в отличие от цвета кожи - яркий пример наследуемой изменчивости, которая не имеет адаптивного значения.
Выявленный случай хорошо демонстрирует, что стоит осторожнее относится к оценке полезности или вредности разных признаков для организма. Не каждый признак, даже если он детерменируется генами и ярко проявляется в фенотипе, имеет какое-либо функциональное значение. Появление и распространение этих признаков в популяциях может быть связано с эффектом дрейфа генов и генетико-автоматическими процессами. Исследования подобные нашему позволят усовершенствовать методы ДНК-диагностики, лучше разграничивая функционально значимые аллели и признаки от признаков и аллелей не несущих функциональной нагрузки. Это особенно актуально в связи появлением и началом развития персональной медицины, где важно понимать не только общий принцип генетического контроля метаболических процессов, но и оценивать тонкие изменения в регуляции этих процессов за счет изменений в отдельных полиморфных локусах.
Cписок использованных источников и литературы:
1. Рогинский Я.Я., Левин М.Г. Антропология М.: Высшая школа, 1978. — 528 c.
2. Bouakaze C., Keyser C, Crubézy E, Montagnon D, Ludes B. Pigment phenotype and biogeographical ancestry from ancient skeletal remains: Inferences from multiplexed autosomal SNP analysis // Int. J. Legal Med. 2009. V. 123. № 4. P. 315–325.
3. Duffy D.L. и др. A Three–Single-Nucleotide Polymorphism Haplotype in Intron 1 of OCA2 Explains Most Human Eye-Color Variation // Am. J. Hum. Genet. 2007. Т. 80. С. 241–252.
4. Eiberg H., Troelsen J, Nielsen M, Mikkelsen A, Mengel-From J, Kjaer KW, Hansen L. . Blue eye color in humans may be caused by a perfectly associated founder mutation in a regulatory element located within the HERC2 gene inhibiting OCA2 expression // Hum. Genet. 2008. V. 123. № 2. P. 177–187.
5. Jablonski N.G., Chaplin G. The colours of humanity: the evolution of pigmentation in the human lineage // Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 2017. V. 372. № 1724. P. 20160349.
6. Jablonski N.G., Chaplin G. The evolution of human skin coloration // J Hum Evol. 2000. V.39, № 1. P.57-106.
7. Kenny E.E., Timpson NJ, Sikora M, Yee MC, Moreno-Estrada A, Eng C, Huntsman S, Burchard EG, Stoneking M, Bustamante CD, Myles S. Melanesian blond hair is caused by an amino acid change in TYRP1 // Science. 2012. V. 336. № 6081. P. 554.
8. Lalueza-Fox C., Römpler H., Caramelli D., Stäubert C., Catalano G., Hughes D., Rohland N., Pilli E., Longo L., Condemi S., de la Rasilla M., Fortea J., Rosas A., Stoneking M., Schöneberg T., Bertranpetit J., Hofreiter M. A melanocortin 1 receptor allele suggests varying pigmentation among Neanderthals // Science. 2007. V.318, № 5855. P.1453-1455.
9. Negro J.J., Carmen Blázquez M., Galván I. Intraspecific eye color variability in birds and mammals: a recent evolutionary event exclusive to humans and domestic animals // Front. Zool. 2017. V. 14. № 1. P. 53.
10. Sulem P., Gudbjartsson DF, Stacey SN, Helgason A, Rafnar T, Jakobsdottir M, Steinberg S, Gudjonsson SA, Palsson A, Thorleifsson G, Pálsson S, Sigurgeirsson B, Thorisdottir K, Ragnarsson R, Benediktsdottir KR, Aben KK, Vermeulen SH, Goldstein AM, Tucker MA, Kiemeney LA, Olafsson JH, Gulcher J, Kong A, Thorsteinsdottir U, Stefansson K. Genetic determinants of hair, eye and skin pigmentation in Europeans // Nat. Genet. 2007. V. 39. № 12. P. 1443–1452.
11. Walsh S., Chaitanya L, Clarisse L, Wirken L, Draus-Barini J, Kovatsi L, Maeda H, Ishikawa T, Sijen T, de Knijff P, Branicki W, Liu F, Kayser M. Developmental validation of the HIrisPlex system: DNA-based eye and hair colour prediction for forensic and anthropological usage // Forensic Sci. Int. Genet. 2014. V. 9. № 1. P. 150–161.
12. Yuasa I. и др. Distribution of OCA2*481Thr and OCA2*615Arg, associated with hypopigmentation, in several additional populations // Leg. Med. 2011. Т. 13. № 4. С. 215–217.
1) библиографическая база биологических и медицинских публикаций PubMed https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
2) биологический банк данных последовательностей белков UniProt международного UnipProt Consortium http://www.uniprot.org/
3) биологический банк данных последовательностей нуклеиновых кислот GenBank национального центра биотехнологической информации США
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nucleotide/
Приложение 1
Биосинтез эумеланина и феомеланина в клетках меланосом
[Bouakaze и др., 2009]
Приложение 2
Схема межгенных неаллельных взаимодействий, влияющая на цвет волос (сбоку указаны гены, в подстрочных подписях полиморфные локусы этих генов, гомозиготные генотипы по этим локусам) [Walsh et al 2013]
Приложение 3
Распределение цвета кожи у населения Мира [Jablonski 2000]
Приложение 4
Зеленоглазая калашка из Пакистана
Приложение 5
Меланезийские и североевропейские блондины