Внешний вид человека во многом определяется цветом его кожи и волос. Не удивительно, что учёные давно заняты и их эволюцией.

За последние шесть лет исследования геномов тысяч людей выявили как минимум восемь участков ДНК, которые содержат элементы кода, свойственные исключительно блондинам. Так определённый однонуклеотидный полиморфизм (ОНП) был обнаружен в генах, ответственных за производство пигментов, в частности меланина. Такие мутации изменяют одновременно цвет кожи и волос. Помимо этого вариации отдельных нуклеотидов встречаются вне генов, на участках, задействованных в регуляции работы ДНК. Такие мутации управляют работой генов в отдельных частях тела, поэтому могут изменять цвет волос, не влияя на характеристики кожи.

У жителей Северной Европы, среди которых преобладают блондины, есть ген KITLG, изменения в котором тесно связаны с цветом волос. Этот ген кодирует белок, который отвечает за правильное расположение и специализацию клеток в организме. Дэвид Кингсли (David Kingsley) из Стэнфордского университета давно занимался изучением таких ОНП. Он и его коллеги открыли, что именно этот ген отвечал за изменение окраски рыб колюшек , когда те оказались изолированными в пресноводных озёрах после отступления ледников. Каждая отдельная популяция развивалась независимо от других, становясь темнее или светлее в зависимости от прозрачности воды.

Команда Кингсли предположила, что те же самые изменения могут влиять на цвет волос и у человека. Сначала учёные детально ознакомились с последовательностью нуклеотидов гена KITLG, полученного от жителей Исландии и Нидерландов, и отметили все ОНП, которые могли бы влиять на цвет волос.

Затем для каждого случая полиморфизма они создали две версии гена, в одной из которых сохранили исходную букву кода, а в другой заменили её "противоположным" нуклеотидом (аденин на гуанин). Эти гены были помещены в клетки мышей. Результаты показали, что такие точечные изменения не меняли цвет шерсти с серого на белый, но при этом заметно осветляли окрас.

Эксперименты с клетками человека, выращенными в лаборатории, показали, что ОНП не включают или выключают ген, а лишь снижают его активность в пределах 20%. Однако этого достаточно, чтобы цвет волос менялся в более светлую или тёмную сторону. Другими словами, изменение всего одного определённого нуклеотида в ДНК, выполняет функции точной настройки оттенка.

Другой важный вывод, который делают авторы статьи, опубликованной в издании Nature Genetics , состоит в том, что мутации, ответственные за светлый цвет волос, не связаны генетически с другими признаками человека.

Таким образом, с генетической точки зрения все стереотипы о блондинках, не имеют подтверждения, чего нельзя сказать о некоторых других вариациях. Например, известно, что генетические изменения рыжеволосых людей влияют на структуру белков и оказывают влияние на весь организм.

Ученые выяснили, что золотистые волосы появляются благодаря небольшой мутации

Тысячи лет блондинки были объектом восхищения, а в последнее время - и насмешек. Но результаты недавнего исследования показали, что золотистые волосы уж точно не имеют никакого отношения к интеллекту: они появились благодаря небольшой генетической мутации, когда из 3 миллиардов букв генетического кода человека одна буква «А» сменилась на букву «G», сообщается в National Geographic .

«Мутация является биологическим механизмом, который привел к естественному появлению светлых волос, - говорит профессор Стэнфордского университета, специалист по эволюционной биологии Дэвид Кингсли, проводивший исследование. - В биологии это яркий пример того, как можно управлять внешними чертами человека».

Кингсли уверен, что результаты его последнего исследования, опубликованные в научном журнале Nature Genetics, проливают свет на деятельность генома человека. Мутация не влияет на выработку белка ни в одном из 20 000 генов в геноме человека. У представителей европеоидной расы к светловолосости приводит мистический «поворот выключателя» на 20%, что и управляет сигнальным геном в волосяных фолликулах кожи.

Этот сигнальный ген участвует в формировании крови, яйцеклетки, спермы и стволовых клеток. Полное включение или отключение такого гена может быть губительным. Однако небольшая мутация, влияющая на деятельность гена только в одной области (например, на коже), не представляет опасности.

Инженер-биолог из Гарвардского университета Пардис Сабети, не принимавшая участия в исследовании, сказала, что исследование является «красивой демонстрацией» влияния мутации, которое ранее было мало изучено. Найти изменение одной буквы и доказать, что она отвечает за светлые волосы, - серьезное научное достижение.

Маленькое изменение с большими последствиями

Чтобы найти генетическую мутацию, отвечающую за светлые волосы, Кингсли с группой ученых исследовал жителей Исландии и Нидерландов, имеющих соответствующий геном. Они кропотливо искали изменение буквы, отвечающее за светлые волосы человека.

Ученые изучили, к чему приводит изменение «буквы» в клетке человеческой кожи, выращенной в чашке Петри. В клетках обнаружили снижение деятельности «переключателя», управляющего сигнальным геном. Команде ученых под руководством Кингсли удалось вывести группы мышей, как мутировавших, так и обычных. При изменении одной «буквы» мыши не стали белыми, зато их шерсть стала светлее, чем у сородичей.

Изучение основ такой простой и очевидной детали, как цвет волос, позволит больше узнать о деятельности генов в других областях - например, болезнях, где ставки выше, говорит Кингсли: «Понимание этих основ поможет людям... которым нужны лекарства».

Профессор Гарвардского университета в области генетики Хопи Хекстра сказала, что новое открытие подтверждает предположения ученых: небольшие изменения в экспрессии генов после смены лишь одной пары оснований ДНК могут существенно повлиять на внешние черты.

Цвет волос «является большой отправной точкой на пути к такому типу молекулярного рассечения», поскольку благодаря изменению внешности можно легко заметить воздействие мутации, сказала она: «Однако очевидно, что у человека все гораздо сложнее, например, в области психических заболеваний, которые никогда не поддавались четким измерениям».

Мутация, приводящая к светловолосости, или любая другая, генетически не связана с другими чертами, даже с цветом глаз, сказал Кингсли, разрушая стереотипы о блондинах. Однако известно, что мутации человека, отвечающие за рыжий цвет волос, влияют на белковую структуру генов и приводят к изменениям во всем теле. Рыжие волосы, светлый цвет кожи и глаз идут в комплекте и даже генетически сочетаются с, например, большей чувствительностью к боли и перепадам температуры, а вот пылкий характер уже формируется сам по себе.

Специалисты считают, что уже через десять лет женщины сами смогут решать, какого цвета волосы у них будут расти - это станет возможным за счет несложной генетической корректировки клеток кожи головы. Ее методика была успешно апробирована исследователями из Стэнфордского университета, выяснившими, какой ген нужно поменять, чтобы сделать волосы светлее или темнее.

Науке давно известно, что гены контролируют процесс синтеза пигментов, которые задают волосам и коже конкретного человека определенный оттенок.Ученые из Стэнфорда открыли, что небольшая коррекция в одном гене способна сделать волосы или шерсть намного светлее или темнее. Исследователи смогли выделить ген KITLG, который оказывает очень сильное влияние на окраску у всех животных - например, на окраску кожи у рыб, окраску шерсти (или волос) у млекопитающих. Биологам достаточно было воздействовать всего на одну букву генетического кода, но эта незначительная манипуляция очень серьезно влияла на внешний вид животных. Во время эксперимента на мышах ученые таким образом включали «ген блондинок» и «ген брюнеток» - и действительно, получали животных со светлой и темной шерстью.

По словам врачей, в наши дни генная терапия, которая предполагает замену одних генов на другие в клетках взрослого человека, применяется в случае тяжелых и трудноизлечимых болезней. Однако буквально за последний год генные технологии значительно усовершенствовались, так что уже в недалеком будущем генная терапия будет позволять людям менять цвет волос без использования химических красителей. Волосы просто будут расти того оттенка, какого хочется.

03 Июня 2014

Блондинки отличаются от брюнеток одной буквой ДНК

Генетики выяснили, что блондины и блондинки появляются благодаря одной-единственной мутации. Она не влияет ни на какие другие функции организма, за исключением цвета волос.

Результаты исследования, проведенного американскими учеными из Медицинского института Говарда Хьюза, опубликованы в журнале Nature Genetics: Guenther et al., A molecular basis for classic blond hair color in Europeans (пресс-релиз Subtle change in DNA, protein levels determines blond or brunette tresses опубликован на сайте Stanford School of Medicine – ВМ).

Ученые много лет исследуют генетические механизмы, регулирующие окраску животных и человека. Ранее им удалось обнаружить несколько отрезков ДНК, которые влияют на цвет волос. Однако авторы статьи показали, что в реальности блондинов и брюнетов отличает всего одна мутация, происходящая в регуляторном участке гена KITLG.

В этом гене закодирован лиганд рецепторной тирозинкиназы KIT, то есть белок, под воздействием которого активируется этот рецептор. От деятельности данного лиганда зависит развитие множества типов клеток, например, клеток крови, предшественников половых клеток и меланоцитов. Поэтому при мутациях в гене KITLG обычно возникают тяжелые заболевания, включая бесплодие и анемию.

Модифицируя различным образом ген KITLG, исследователи заметили, что активность одной из его версий снижается примерно на 20% в клетках волосяных луковиц мышей. При этом мутация не сказывается на работе KITLG в других тканях. Оказалось, что такая мутация происходит в одном из регуляторных участков гена и состоит в замене азотистого основания аденин (A) на азотистое основание гуанин (G).

После опытов с культурами клеток ученые вырастили генетически идентичных мышей, которые отличались друг от друга лишь на одну букву (A или G). Выяснилось, что мыши, гомозиготные по данной мутации, то есть у которых A на G поменялся в обеих хромосомах из пары, становятся полностью белыми. Гетерозиготные же грызуны (у них мутация произошла только в одной хромосоме из двух) существенно светлее своих нормальных сородичей.

По словам авторов статьи, подобный генетический «переключатель», позволяющий одним «щелчком» менять цвет волос, имеется и у людей. Скорее всего, в нашем геноме существует еще множество «переключателей», заменив одну-единственную букву в которых, можно изменить те или иные характеристики организма, не влияя при этом на другие его свойства.

назад

Читать также:

29 Апреля 2014

Биоинженерный эпидермис для косметологов и фармакологов

Эпидермис (верхний слой кожи), выращенный из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, может заменить лабораторных животных при тестировании лекарств и косметики.

читать 29 Ноября 2013

Биокожа или слишком дорогая повязка?

Многие врачи говорят о том, что «Гиаматрикс» – это не ранозаживляющий биопластический материал, а раневая повязка. Причем устраивающая одних в качестве одного из компонентов комплексного лечения, а для других неприемлемая из-за высокой стоимости.

4190 0

Исследователи из Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) в Чеви-Чейз обнаружили, что замена всего одной буквы в коде ДНК способна изменить цвет волос у человека.

Дэвид Кингсли (David Kingsley), научный сотрудник института, на протяжении долгого времени изучал эволюцию колюшки - маленькой рыбки, которая переместилась из морей в озера и ручьи в конце последнего ледникового периода.

Используя способность колюшки адаптироваться к разным условиям окружающей среды, Кингсли и его коллеги смогли идентифицировать молекулярные изменения, лежащие в основе ее эволюции.

Недавно они переключили свое внимание на то, что по эволюционным изменениям у этой рыбки можно сделать интересные выводы об эволюции человека и других видов.

В своем последнем исследовании команда доктора Кингсли изучала генетический код, который отвечает за пигментацию колюшки. В 2007 году ученые установили, что у разных популяций колюшки по всему миру изменения в пигментации запускаются одним и тем же геном.

Интересно, что этот ген оказался вовсе не уникальным для маленькой рыбки.

У людей и рыбок пигментацию контролирует один ген

«Ген, очень похожий на тот, который контролирует окраску колюшки, оказывает сильное влияние на пигментацию у разных человеческих популяций во всем мире», - говорит Кингсли.

Различные вариации этого участка гена, который называется Kit ligand, у людей ассоциируются с различиями в цвете кожи. Кингсли обнаружил, что и у рыб, и у людей генетические изменения, связанные с пигментацией, происходят в регуляторных элементах генома.

Но отслеживание специфических регуляторных элементов в огромном геноме - это поиск иголки в стоге сена. Кингсли говорит, что перед ними стоял выбор, на какой области сосредоточить свое внимание.

Кроме кодирования протеинов для пигментных клеток, участок Kit ligand выполняет множество других функций. К примеру, он влияет на поведение стволовых клеток крови, предшественников сперматозоидов и яйцеклеток, а также нейронов кишечника.

Ученые старались изолировать регуляторные изменения в этом участке, которые отвечают именно за цвет волос, не влияя на другие функции гена. Чтобы сделать это, один из экспертов команды Кэтрин Гюнтер (Catherine Guenther) вырезала сегменты человеческой ДНК в указанной области и связала каждый кусочек регуляторного гена с репортерным геном. Если гены связывались «правильно», ученые получали глубокий синий цвет.

При дальнейшем изучении ДНК в этом регуляторном сегменте команда обнаружила, что одна-единственная буква генетического кода отличается у людей, которые имеют разный цвет волос.

Это было подтверждено в ходе экспериментов с культурами клеток. Переключение на светлый цвет волос соответствовало простому снижению активности гена на 20% - это позволило ученым заключить, что они нашли именно тот ключевой компонент последовательности ДНК.

У мышей эксперимент также удался. Грызуны, у которых ученые по-разному активировали указанный ген, имели в результате либо темную, либо светлую окраску шерсти.

Кингсли пояснил полученные результаты: «Мы с уверенностью можем сказать, что одной пары оснований достаточно, чтобы осветлить шерсть у животного, причем для этого достаточно только снизить экспрессию гена на 20%. Это хороший пример того, как прекрасно настроенные регуляторные механизмы могут производить различные черты организма. Генетический механизм, контролирующий осветление волос, никак не нарушает биологию других частей тела. Светлые волосы - это всего лишь светлые волосы».

Кингсли надеется, что их работа не только приведет к лучшему пониманию молекулярных механизмов человеческого разнообразия, но их станет важным шагом на пути к повышению устойчивости людей к различным заболеваниям.