Какие гены отвечают за цвет нашей кожи? Учёным хорошо известен меланокортиновый рецептор 1 (MC1R). Этим геном особенно заинтересовались, когда выяснили, что он не функционирует у рыжеволосых людей. Ещё в 2000 году генетики установили, что варианты MC1R разнообразны за пределами Африки, однако на территории чёрного континента ген находится под давлением жёсткого стабилизирующего отбора, который отсеивает любые мутации, влияющие на синтез пигмента в коже. Полученные знания соответствовали представлениям об африканской прародине человека, а также о важной роли тёмной кожи вблизи экватора — пигмент меланин защищал людей от губительных доз ультрафиолетовой радиации. В высоких широтах, куда наши предки пришли около 50 тыс. лет назад и где ультрафиолета меньше, отбор пошёл в другом направлении — в сторону светлокожести. Ведь солнечная радиация необходима для синтеза в коже витамина D3, без которого человеку грозит рахит.
Но такая стройная теория не объясняла того, почему и внутри Африки цвет кожи сильно варьирует — от самого тёмного на планете у восточноафриканских скотоводов, до относительно светлого у бушменов на юге. Конечно, генетики понимали, что на самом деле за кожную пигментацию отвечает не один, а множество генов. У животных таких генов выявлено более 350, но какие из них важны для человека и как их вариации отражаются на оттенках кожных покровов? Этот вопрос и решил выяснить большой коллектив учёных, чья статья только что опубликована в Science.
Исследователи собрали данные о 2 тыс. жителей Эфиопии, Танзании и Ботсваны. Для каждого фиксировался цвет кожи на внутренней стороне руки. Кроме того, 1570 африканцев из этой базы данных были генотипированы. Затем специалисты стали искать зависимости между генетическими вариантами и кожной пигментацией. Генетикам удалось обнаружить 4 области в геноме, мутации в которых, вероятно, влияли на цвет кожи. Для дальнейшего исследования использовали данные проекта «Тысяча геномов», что позволило подключить к анализу геномы жителей Западной Африки, Евразии, Австралии и Меланезии.
Основная часть статьи содержит описание того, какие вариации в этих участках генома ассоциируются с тёмной или светлой пигментацией, какие из этих аллелей предковые, а какие — более молодые, и как давно они могли возникнуть у человека.
Участок, мутации в котором сильнее всего влияют на оттенок кожи, находится на хромосоме 15 и захватывает ген SLC24A5. Мутация в этом гене, связанная со светлой кожей, распространена в Европе, Пакистане и на севере Индии. Интересно, что этот вариант нашёлся с высокой частотой (до 50%) в некоторых популяциях Восточной Африки «афро-азиатского происхождения», а также с частотой 5—11% у южноафриканских сан и банту.
Генетики рассчитали, что евразийские популяции, несущие данный аллель, разделились 29 тыс. лет назад, и предположили, что в Африку этот вариант попал в результате потока генов из Евразии в последние 3—9 тыс. лет. Однако его частота в некоторых группах превышает предполагаемый процент «неафриканской примеси», что говорит о положительном отборе.
Ещё один важный участок генома, обнаруженный в исследовании, находится на хромосоме 19 и содержит ген MFSD12. Нарушения работы этого гена приводят к болезни витилиго (при которой отдельные участки кожи полностью лишены пигментации).
Две «продвинутые» мутации MFSD12, связанные с тёмной пигментацией, встречаются только у африканцев, чаще всего — у нило-сахарских народов. Анализ показал, что один из этих аллелей возник около 600 тыс. лет назад. Ещё два «тёмных» полиморфизма обычны для африканцев (кроме бушменов), а также распространены у южных азиатов и австрало-меланезийцев. Генетики пришли к выводу, что оба этих варианта достались обитателям Австралии и Меланезии от африканских предков, а возникли почти 1 млн лет назад!
Два предковых полиморфизма в этом же участке — ассоциированных со светлой кожей — встречаются почти у всех европейцев и восточных азиатов, а также часты у бушменов, у эфиопских и танзанийских популяций афро-азиатского происхождения.
Анализ показал, что у популяций с африканскими корнями ген MFSD12 работает менее активно, чем у прочих. Далее генетики провели эксперимент: они взяли меланоциты мышей и подавили в них экспрессию мышиного варианта MFSD12. Опыт привёл к тому, что содержание эумеланина в пигментных клетках мышей выросло на 30—50%. Когда же ген выключили совсем — получились мыши с однородным серым мехом, в результате полного отсутствия феомеланина.
Учёные на этом не успокоились, они провели похожие опыты на рыбках данио-рерио, у которых есть родственный MFSD12 ген, и тоже добились изменения окраски.
Итак, снижение активности гена MFSD12 приводит к росту содержания эумеланина, а отключение — к прекращению синтеза феомеланина. Как всё непросто!
Сходным образом в статье рассматривается ещё два участка — на 11-й хромосоме, содержащий ген DDB1 (отвечающий за восстановление ДНК после повреждений — мутации в нём связаны с риском меланомы), и на хромосоме 15, включающий сразу 2 гена — OCA2 (поломки этого гена приводят к альбинизму) и HERC2.
Наконец, авторы оценили общий вклад найденных генетических вариантов в степень африканской «темнокожести» — получилось 28,9%. То есть около 29% изменчивости цвета кожи африканцев зависит от мутаций в обнаруженных областях генома. Учёные делают вывод, что генетически пигментация устроена проще, чем, например, такая характеристика человека, как рост (проще — значит, меньше генов, сильно влияющих на этот признак). И ещё: большинство найденных генетических вариантов находятся в некодирующих участках ДНК. Значит, в том, какого оттенка наша кожа, важную роль играют гены-регуляторы.
Ну, и несколько наиболее любопытных выводов.
Во-вторых, мы начали с того, что у гена MC1R в Африке почти нет вариаций. Новое исследование показывает совсем другую ситуацию: варианты исследуемых генов MFSD12, DDB1, OCA2 и HERC2 у африканцев очень разнообразны. Более того, примерно половина предковых (то есть исходных) вариантов ассоциируется со светлой пигментацией. Кстати, у неандертальцев и денисовцев по всем изученным позициям находятся предковые варианты.
По мнению авторов, такая сложная картина согласуется с представлениями, что тёмная кожа — признак, приобретённый нашими, исходно светлокожими предками… На этом месте расисты должны радостно закивать, но прошу дочитать фразу до конца: тёмная кожа — признак, приобретённый нашими, исходно светлокожими предками около 2 млн лет назад, когда они утратили защитный волосяной покров. Когда густая шерсть перестала предохранять потомков австралопитеков от поражающего действия ультрафиолета, они потемнели — хотя, вероятно, поначалу были не так черны, как некоторые современные африканцы.
Исследование показало также, что южные азиаты и австралоиды получили тёмную кожу напрямую в наследство от африканских предков. Возможно, что и другие черты, общие для африканцев и для восточных экваториалов из Австралии и Океании, тоже имеют единую генетическую природу, а не появились в результате параллельной эволюции.
Авторы понимают, что найденными генетическими вариантами картина не исчерпывается. Будущие исследования, в которые попадут представители большего числа африканских (и не только) популяций, дадут новую информацию и, скорее всего, ещё больше усложнят картину. Продолжение следует.