Про цвет

[idelson]

Все разнообразие цветов кожи, волос, и возможно, глаз определяется всего лишь соотношением в количестве двух пигментов: эумеланина и феомеланина. И тот и другой пигмент - в действительности полимеры с не вполне постоянным составом, так что цвет эумеланина может варьировать от черного до коричневого. Чистый феомеланин - красноватый: он бывает в губах, сосках и прочих частях тела, которым положено быть пигментированными таким образом. Повышенное количество феомеланина в волосах проявляется как рыжий цвет (см. рисунок из статьи  [1]).

 

Оба пигмента синтезируются в специальных клетках - меланоцитах, внутри специальных органелл - меланосом. Меланоциты затем передают зрелые меланосомы другим клеткам: кератиноцитам в случае кожи, волосяным фолликулам в случае волос. Оба пигмента делаются из аминокислоты тирозина, частично - под действием ферментов; некоторые реакции могут происходить спонтанно и без ферментов, иногда под действием ферментов быстрее, чем без них. Для феомеланина нужна еще другая аминокислота - цистеин.

Всем известно, что эумеланин защищает кожу от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей, а феомеланин - нет. Есть тесная связь между цветом кожи и широтой проживания: чем ближе к экватору, тем кожа темнее. На рисунке показано географическое распределение цвета кожи среди native populations.

Современные люди появились в Африке и распространились оттуда несколькими волнами. Судя по всему, люди исходно были черными. Но где, когда и почему выходцы из Африки посветлели? Было ли это следствием естественного отбора, или это связано со случайными - нейтральными - изменениями, вклад которых может быть очень существенен, если исходная группа очень мала. За последние 10 лет очень много чего в этой теме стало понятно.

Есть такая аквариумная рыбка - Danio rerio. По-английски она называется zebrafish, по-русски ее иногда называют "дамский чулок". Обычно эта рыбка полосатая, но бывает мутация, приводящая к золотистой окраске. В 2005 г. генетик Keith Cheng изучал, как выглядят у золотой рыбки меланоциты. Оказалось, что они содержат меланин, но, мало, и меланосомы внутри них - маленькие и недоделанные (см. картинку из [2]; А,C,E – дикий тип, B,D,F – "золотая рыбка").

Оказалось, что ген, мутантный у "золотой рыбки", не имеет непосредственного отношения к синтезу пигмента: это ген SLC24A5, кодирующий так называемый potassium-dependent sodium/calcium exchanger. Он экспрессируется в меланосомах и, по-видимому, как-то влияет на транспорт в них аминокислот тирозина. Keith Cheng проявил главное свойство ученого - внимательность. Он проверил, нет ли различий в гене SLC24A5 между разными расами. Обнаружил интересную вещь: в этом гене одно-единственное место, где встречаются разные варианты последовательности белка: аминокислота  111 в белке SLC24A5 может быть либо аланином, либо треонином. При этом у 98-100% белых европейцев - вариант с треонином, а у 93-100% африканцев - с аланином. А у смешанных черно-белых пар - есть четкая корреляция между вариантом и цветом кожи.

Когда проверили у восточно-азиатских народов, оказалось, что у них у всех, вне зависимости от цвета кожи, африканский вариант.

Есть разные способы проверить, является ли распространение данного варианта случайным или связано с репродуктивным преимуществом. И, если преимущество реализовано не очень давно (<10,000 лет назад), оценить этот возраст. Так вот, получается, что европейский вариант распространился не очень давно: 6-10 тыс. лет назад. Причем посредством отбора.

Это не единственный ген, имеющий отношение к цвету кожи. Другой транспортер, SLC45A2 (другое название - MATP), тоже имеет варианты, присущие только европейцам. В нем, правда, большее разнообразие вариантов. Зато показано, что у поляков один из вариантов этого гена коррелирует со светлыми волосами. И про варианты этого гена также показано, что они появились вследствие отбора, и не очень давно. И по этому гену тоже восточно-азиатские народы не отличаются от африканцев. А есть гены, также коррелирующие с цветом кожи, но распространенные широко за пределами Африки. Принятая сейчас точка зрения - что восточно-азиатские народы приобрели светлый цвет кожи за счет других мутаций, то есть конвергентно [3].

Понятно, что в тропических широтах темный цвет кожи желателен и даже необходим. Но почему так сильно понадобилось избавиться от него в умеренных широтах, что две разные популяции, разными путями, поспешили от него избавиться за столь короткий срок? Среди разных теорий, наиболее разумно выглядит вот какая [4]: человеку необходим витамин D. Его дефицит приводит к большим проблемам с обменом кальция. У детей это называется рахитом, у взрослых -  остеомаляцией - размягчением костей.  

Витамин D может попадать в человеческий организм двумя способами: либо синтезироваться из холестерина под действием ультрафиолетового цвета, либо получаться из пищи: классического рыбьего жира или, в меньшей степени, мяса. В тропических широтах ультрафиолета хватает даже при темной коже. В более умеренных - зависит от диеты. При рыбно-мясной диете - хватит. А вот при переходе к зерновым, да в умеренных широтах - может не хватить. Вот тут, да еще когда стали продвигаться на север, да еще когда стали одеваться - белая кожа становится жизненно необходима! (Ну, или современное сбалансированное питание).

Параллельно стоит остановиться еще на одном интересном гене: MC1R. Это рецептор гормона, стимулирующего синтез эумеланина. У этого гена - обратная ситуация: разнообразие аллельных вариантов у европейцев, и однообразие у африканцев. Судя по всему, он жизненно необходим в тропических широтах, и ни зачем не нужен (и потому подвержен нейтральным мутациям) в Европе [4]. Его нефункциональные варианты хорошо коррелируют с количеством феомеланина и, стало быть, с рыжим цветом волос [1].



PS. Если вдуматься, то этот пост связан с 9 мая самым непосредственным образом.

1. Ito,S., and Wakamatsu K. (2011) J. Eur. Acad. Derm. Venereol. 25:1369 [ссылка] 
2. Lamason, R.L. et al. (2005) Science 310:1782 [PubMed]
3. Norton, H.L., et al. (2006) Mol .Biol. Evol. 24:710 [ссылка] 
4. Rees, J.L., and Harding, R.M. (2012) J. Invest. Dermatol. 132:846 [ссылка]
5. Coop, G. et al. (2009) PLoS Genet. 5: e1000500 [ссылка]