Какими генами определяется цвет кожи человека

Обновлено: 26.04.2024

Международный коллектив исследователей в результате генотипирования двух тысяч человек, проживающих в разных регионах Африки, обнаружил основные генетические варианты, ответственные за интенсивность пигментации кожи. Судя по всему, варианты, ответственные за темную кожу, объединяют африканцев с южноазиатской и австрало-меланезийской популяциями, а один из аллелей, связанных со светлокожестью, оказался неафриканского происхождения и был принесен извне. Кроме того, ученым удалось установить функцию одного из генов (MFSD12), полиморфизмы в котором ассоциированы с цветом кожи у людей. Исследование опубликовано в журнале Science.

Цвет кожи является важной адаптацией для проживания на той или иной широте и варьирует в довольно большом диапазоне — к примеру, среди африканцев можно встретить как людей с относительно светлой кожей, так и абсолютно черных. Интенсивность пигментации коррелирует с интенсивностью ультрафиолетового излучения, характерного для данного региона. Максимума оно достигает на экваторе, а минимума — в высоких широтах, где живут самые светлокожие люди. В то время как темная кожа защищает своего обладателя от избытка ультрафиолета, белая кожа является адаптацией к его недостатку, так как некоторое количество ультрафиолета необходимо для синтеза витамина D.

Распределение интенсивности ультрафиолетового излучения, выраженного в количестве доз ультрафиолета, необходимого для "обгорания" кожи (erythemal dose)

Nicholas G Crawford et al / Science, 2017

Основным пигментом, обеспечивающим защиту от ультрафиолета, является меланин. Он синтезируется в специальных клетках — меланоцитах, локализованных в глубоких слоях кожных покровов.

Цвет кожи является сложным генетическим признаком — разные гены определяют количество, структуру и распределение пигмента. Исследования на животных позволили выделить около 350 генов, которые так или иначе связаны с пигментацией, однако у людей, судя по всему, их гораздо меньше.

Исследователи из нескольких американских университетов в сотрудничестве с коллегами из Ботсваны, Танзании и Эфиопии провели масштабный поиск генетических вариантов, которые определяют разнообразие оттенков кожи. В исследовании приняло участие 2092 человека, у которых по отражению света от кожи количественно определили интенсивность пигментации и взяли анализ крови для генотипирования. Участники представляли разные этносы, проживающие на территории перечисленных выше стран. Кроме того, для сравнения привлекли геномы представителей евразийской и австрало-меланезийской популяций, прочитанные ранее.

Среди испытуемых самой светлой кожей обладали представители народа сан (бушмены), проживающие на юге Африки, а самой темной — представители нило-сахарской языковой макросемьи Восточной Африки. Наиболее значимые ассоциации с цветом кожи были найдены для четырех генетических локусов — полиморфизмы в генах SCL24A5, MSFD12 и в регуляторных участках генов DDB1/TMEM138 и OCA2/HERC2. По расчетам ученых, вариации в этих локусах определяют примерно 30 процентов наблюдаемого разнообразия. Таким образом, у людей цвет кожи хотя и комплексный признак, но не такой сложный как, например, рост.

Примеры распространения аллелей генов SLC24A5 (слева) и MFSD12 (справа) в мировых популяциях. Вариант SLC24A5 (G) ассоциирован с темной кожей, а SLC24A5 (А) - со светлой. Вариант MFSD12 (T) ассоциирован с темной кожей, а MFSD12 (С) - с более светлой

Nicholas G Crawford et al / Science, 2017

Для некоторых из найденных генов функции были известны, к примеру, продукт гена DDB1 (Damage Specific DNA Binding Protein 1) участвует в репарации повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетом, а OCA2 кодирует транспортер ионов, который регулирует кислотность в меланосомах. Однако для гена MSFD12, вариации в котором определяют почти пять процентов разнообразия, функция не была установлена. В рамках исследования авторы работы постарались это сделать.

Было известно, что две мутации, расположенные в гене MSFD12, встречаются только в африканской популяции, особенно на востоке, и ассоциированы с самой темной кожей. Исследователи обнаружили, что данные полиморфизмы связаны со сниженной экспрессией гена. Когда экспрессию MSFD12 искусственно понизили в меланоцитах, клетки стали накапливать черный пигмент. Таким образом, функция белка MSFD12 оказалась связана с подавлением синтеза меланина.

Сильнее всего с цветом кожи африканцев оказался связан полиморфизм в гене SCL24A5, который также экспрессируется в меланоцитах и кодирует ионный транспортер. Исследователи показали, что аллель этого гена, ассоциированная со светлой кожей, распространена в африканских популяциях с установленным азиатским происхождением (Эфиопия и Танзания), но редко встречается в «коренных» африканских популяциях сан и Ботсваны. По всей видимости, этот вариант появился в Африке в результате потока генов из Евразии в последние 3-9 тысяч лет, а там его присутствие прослеживается в течение 30 тысяч лет.

Ранее было известно, что «светлокожий» вариант этого гена является обычным среди европейцев и закрепился в популяции в результате отбора. Более того, светлокожие аллели были найдены и в неандертальском и денисовском геноме, что подтверждает гипотезу о том, что темный цвет кожи является поздним приобретением, а наши предки после потери волос на теле были скорее умеренно пигментированы.

Ранее мы писали об исследовании немецких ученых, которые предположили, что светлая кожа современных европейцев досталась им в наследство от древних охотников и собирателей, обитавших на этой территории, но не от первых земледельцев, пришедших из Азии.

Оба родителя передают ребенку гены, которые влияют на его черты и состояние здоровья. Уже долгое время ученые говорят о том, что внешность детей определяется наследственностью. Речь идет о цвете волос, глаз, росте, телосложении и пр.

Основные принципы наследования генов от родителя к ребенку

Большая часть генов имеет два или больше вариантов, которые называют аллелями. В свою очередь, они делятся на рецессивные и доминантные. Крайне редко можно наблюдать доминирование одной аллели, так как зачастую происходит косвенное влияние других генов.

Кроме того, на внешность ребенка влияет также множественный аллелизм. По этой причине ученые могут говорить только о большой вероятности возникновения у малышей внешних черт, которые являются преимущественными у родителей.

Рецессивные и доминирующие гены

Рецессивный ген – это некоторые генетические сведения, которые может подавлять доминантный ген, из-за чего он может не проявляться в фенотипе. Такой тип гена может проявлять свои признаки только в том случае, если будет в паре с таким же рецессивным геном. Если рецессивный ген будет находиться в паре с доминантным, то он не сможет никак воздействовать на внешность ребенка, так как будет подавлен последним. В фенотипе малыша рецессивные гены могут быть проявлены только в том случае, если он присутствует у обеих родителей. Доминантный ген всегда доминирует над рецессивным.

Основные признаки внешности, передаваемые по наследству

По наследству от родителей к ребенку могут передаваться такие внешние признаки, как цвет глаз, кожи, волос, рост или другие отличительные черты. Все зависит от доминантных генов, которые передаются со стороны отца и матери.

Цвет глаз

Традиционная наука утверждает, что цвет глаз передается генетически. Притом, за каждый оттенок отвечает отдельный ген. Цвет глаз зависит от влияния большого количества генов и их вариаций. Считается, что гены, которые отвечают за темные оттенки, являются доминантными. Разные гены находятся в постоянной борьбе между собой, однако темный цвет имеет преимущество перед светлым. К примеру, если у одного родителя глаза голубые, а у другого карие, существует большая вероятность, что ребенок будет кареглазым. Только у той пары, где оба родителя голубоглазые, могут родиться дети с глазами светлых оттенков.

Цвет кожи

Еще одним наследственным признаком являются пигменты, которые отвечают за цвет кожи. Он может передаваться через несколько поколений. За него отвечает полимерный механизм наследования – это значит, что на оттенок кожи влияют несколько генов одновременно. Большая часть аллелей, которые имеют отношение к пигментации кожи современного человека, возникли еще 300 тысяч лет назад. У двух людей со светлой кожей не может родиться темнокожий малыш, если у них не было предков с темной кожей. И наоборот.

Цвет волос

Доминантные гены отвечают за темные оттенки, рецессивные – за светлые. Эти гены действуют на активность таких клеток, как меланоциты, которые вырабатывают меланин. Цвет волос напрямую зависит от количества эумеланина – чем его больше, тем темнее будет оттенок. Если же будет наблюдаться наличие большого количества феомеланина, то волосы могут получить рыжий оттенок. Существует небольшая вероятность, что у темноволосых папы и мамы родиться светлый ребенок. А вот светловолосые родители практически не могут произвести на свет малыша с темными волосами. Для того чтобы ребенок родился рыжим, оба родителя должны иметь тот же цвет волос.

Если наблюдать за большинством семей, можно прийти к тому, что существует некая закономерность – если родители высокие, то их дети тоже будут большого роста. На этот внешний признак также существенно влияют генетические факторы, однако научные исследования в этом направлении все еще продолжаются. Рост ребенка зависит от множества других факторов. К ним относят правильное питание, среду воспитания, влияние внешней среды и пр. Отличительные черты Форма и размер ушной раковины – это полностью наследственный признак. У детей фактически не бывает оттопыренных ушей, если у их родителей уши маленького размера, и наоборот. В некоторых случаях это может восприниматься, как дефект, однако этот признак оказался доминантным. Если у родителей есть ямочка на щеках или нос с горбинкой, существует большая вероятность, что такая внешность передастся ребенку.

Почему чаще мальчики похожи на мам, а девочки – на пап?

Зачастую сын рождается похожим на мать, а дочка – на отца. Происходит это из-за того, что при зачатии мальчик получает Х-хромосому от матери и У-хромосому от отца. За внешние признаки отвечает именно Х-хромосома. Девочки получают от обеих родителей Х-хромосомы, поэтому у них есть одинаковая вероятность быть похожими, как на отца, так и на мать.

Рецессивные и доминирующие гены

Рецессивный ген – это некоторые генетические сведения, которые может подавлять доминантный ген, из-за чего он может не проявляться в фенотипе.

Такой тип гена может проявлять свои признаки только в том случае, если будет в паре с таким же рецессивным геном. Если рецессивный ген будет находиться в паре с доминантным, то он не сможет никак воздействовать на внешность ребенка, так как будет подавлен последним.

В фенотипе малыша рецессивные гены могут быть проявлены только в том случае, если он присутствует у обеих родителей. Доминантный ген всегда доминирует над рецессивным.

Основные признаки внешности, передаваемые по наследству

Цвет глаз

Считается, что гены, которые отвечают за темные оттенки, являются доминантными. Разные гены находятся в постоянной борьбе между собой, однако темный цвет имеет преимущество перед светлым.

К примеру, если у одного родителя глаза голубые, а у другого карие, существует большая вероятность, что ребенок будет кареглазым. Только у той пары, где оба родителя голубоглазые, могут родиться дети с глазами светлых оттенков.

Цвет кожи

Еще одним наследственным признаком являются пигменты, которые отвечают за цвет кожи. Он может передаваться через несколько поколений.

За него отвечает полимерный механизм наследования – это значит, что на оттенок кожи влияют несколько генов одновременно. Большая часть аллелей, которые имеют отношение к пигментации кожи современного человека, возникли еще 300 тысяч лет назад. У двух людей со светлой кожей не может родиться темнокожий малыш, если у них не было предков с темной кожей. И наоборот.

Цвет волос

Если же будет наблюдаться наличие большого количества феомеланина, то волосы могут получить рыжий оттенок. Существует небольшая вероятность, что у темноволосых папы и мамы родиться светлый ребенок. А вот светловолосые родители практически не могут произвести на свет малыша с темными волосами. Для того чтобы ребенок родился рыжим, оба родителя должны иметь тот же цвет волос.

Рост ребенка зависит от множества других факторов. К ним относят правильное питание, среду воспитания, влияние внешней среды и пр.

Форма и размер ушной раковины – это полностью наследственный признак. У детей фактически не бывает оттопыренных ушей, если у их родителей уши маленького размера, и наоборот. В некоторых случаях это может восприниматься, как дефект, однако этот признак оказался доминантным. Если у родителей есть ямочка на щеках или нос с горбинкой, существует большая вероятность, что такая внешность передастся ребенку.

Почему чаще мальчики похожи на мам, а девочки – на пап?

Многие количественные и некоторые качественные признаки у живых организмов определяются не одной, а несколькими парами взаимодействующих генов. В этом случае, чем больше в генотипе доминантных генов, тем сильнее проявляется признак. Такая форма взаимодействия неаллельных генов называется полимерией.

цвет кожи у человека определяют четыре пары неаллельных генов, ответственных за выработку пигмента меланина. Чем больше имеется доминантных генов, тем больше в коже меланина, и тем темнее её окраска.

У человека с доминантными генами A 1 A 1 A 2 A 2 A 3 A 3 A 4 A 4 кожа самая тёмная. У человека, в генотипе которого содержатся только рецессивные гены a 1 a 1 a 2 a 2 a 3 a 3 a 4 a 5 , кожа самая светлая. В зависимости от соотношения числа доминантных и рецессивных генов цвет кожи изменяется от светлого до тёмного.

Такой тип взаимодействия называется кумулятивной полимерией . При кумуляции степень проявления признака определяется количеством доминантных генов (чем больше генов, тем сильнее выражен признак). Потомство при кумулятивной полимерии разделяется следующим образом — \(1:4:6:4:1\) (у одной особи признак выражен максимально, у остальных наблюдается его угасание до полного исчезновения).

По этому типу наследуются многие важные количественные признаки сельскохозяйственных животных и растений: молочность коров, яйценоскость кур, содержание сахара в корнеплодах, длина початка кукурузы, длина колоса, окраска колоса у злаковых и др.

При некумулятивной полимерии проявление признака не зависит от числа доминантных аллелей. Признак будет проявляться, если есть хотя бы один доминантный ген. При подобном эффекте наблюдается расщепление в потомстве в соотношении \(15:1\).

наличие оперения на ногах у кур определяется двумя неаллельными доминантными генами — A 1 и A 2 . Оперенные ноги будут иметь куры с генотипами: A 1 − A 2 − , A 1 a 2 a 2 и a 1 a 1 A 2 − . Неоперенные ноги будут только у птиц с генотипом a 1 a 1 a 2 a 2 .

Исследователи под руководством Сары Тишкофф (Sarah Tishkoff) из Пенсильванского университета опубликовали работу, где прослеживается эволюция и распространение по миру генов, определяющих цвет кожи человека.

По словам ученых, предки человека – австралопитеки – имели светлую кожу, покрытую шерстью. «Если вы побреете шимпанзе, вы увидите, что его кожа светлая, – рассказывает Сара Тишкофф. – Если у вас есть волосы на теле, вам не нужна темная кожа для защиты от ультрафиолетового излучения». До недавнего времени предполагалось, что после того, как предки людей утратили большую часть на теле (около двух миллионов лет назад), они быстро обзавелись темной кожей для защиты от вредных последствий ультрафиолетового излучения. Затем, когда люди мигрировали из Африки и попали в более северные широты, их кожа стала светлой в качестве адаптации к недостатку солнечного света, так как бледная кожа синтезирует больше витамина D.

Предыдущие исследования генов цвета кожи, соответствовали этой картине. Например, «ген депигментации» (SLC24A5), связанный со светлой кожей, распространился по европейским популяциям за последние 6000 лет. Работа Тишкофф и ее коллег показала, что не все так просто.

Авторы работы измерили коэффициент отражения кожи у 2092 человек из Эфиопии, Танзании и Ботсваны. Самая темная кожа обнаружилась у скотоводов Восточной Африки, таких как народы мурси и сурма, самая светлая – у народа сан в Южной Африке. Помимо них обнаружилось множество переходных оттенков. Одновременно исследователи собирали образцы крови для выделения ДНК. Они секвенировали более четырех миллионов однонуклеотидных полиморфизмов (участков ДНК, отличающихся всего одним нуклеотидом, то есть заменой одной «буквы» генетического алфавита). Они обнаружили четыре ключевые области генома, где специфические однонуклеотидные полиморфизмы коррелируют с цветом кожи.

Первый сюрприз заключался в том, что ген SLC24A5, характерный для европейцев, также распространен в Восточной Африке, где встречается почти у половины представителей некоторых народов Эфиопии. Этот вариант возник 30 000 лет назад и, вероятно, был принесен в Восточную Африку людьми, мигрирующими с Ближнего Востока. Но, хотя он есть у многих восточных африканцев, кожа их не стала белой, так как SLC24A5 – всего один из ряда генов, от которых зависит цвет кожи.

Исследователи также обнаружили варианты двух соседних генов: HERC2 и OCA2, которые ассоциируются со светлой кожей, светлым цветом глаз и волос у европейцев, возникли в Африке. Они очень древние и распространены у народа сан. Авторы работы предполагают, что эти варианты возникли в Африке уже один миллион лет назад и позже перешли к европейцам и азиатам. «Многие варианты генов, которые вызывают светлую кожу в Европе, происходят из Африки», – говорит Сара Тишкофф.

Самое драматическое открытие касалось гена MFSD12. Две мутации, уменьшающие экспрессию этого гена, с высокой частотой встречаются у людей с самой темной кожей. Эти варианты возникли около полумиллиона лет назад, так что у более древних людей могла быть только умеренно темная кожа, а не глубокий черный цвет, который встречается сейчас благодаря этим мутациям. Эти же два варианта встречаются у меланезийцев, австралийских аборигенов и некоторых индейцев. Возможно, они унаследовали данные варианты гена от древних мигрантов из Африки, которые следовали по «южному маршруту» из Восточной Африки, вдоль южного побережья Индии до Меланезии и Австралии. Возможно, среди них были носители и других вариантов, связанных с более светлым оттенком, но они были утрачены по дороге до Меланезии.

Авторы работы провели лабораторный эксперимент, чтобы понять, как действуют мутации гена MFSD12 на цвет кожи. Они сократили экспрессию данного гена в клеточных культурах, имитируя тот его вариант, который встречается у людей с темной кожей. Клетки стали производить больше эумеланина, пигмента, определяющего черную и коричневую окраску кожи, волос и радужных оболочек глаз. Другой вариант мутации блокирует производство желтых пигментов, что также ведет к более темной окраски. Этот эффект ученые воспроизвели на рыбах данио рерио и лабораторных мышах.

Результаты, которые получили Сара Тишкофф и ее коллеги, показывают, что традиционная классификация вида Homo sapiens на расы не отражает действительной его истории. Как выясняется, некоторые варианты генов из Евразии позднее вновь оказались в Африке, а мутации, связанные со светлым цветом кожи европейцев имеют африканское происхождение. Сара Тишкофф говорит, что внутри Африки наблюдается столь высокий уровень разнообразия, что нельзя говорить о такой вещи, как единая африканская раса.

Читайте также: