Изменить цвет волос на генном уровне. Как сделать волосы более густыми и плотными? Биоинженерный эпидермис для косметологов и фармакологов

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

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.

Международная команда ученых обнаружила более ста новых генетических локусов, которые отвечают за цвет у европейцев. Несмотря на то, что эти варианты объясняют только 20% общего вклада генов в цвет волос, суммарно они обладают некой предсказательной возможностью, благодаря чему можно предположить цвет волос их обладателя. Исследование опубликовано в Nature Genetics.

Цвет волос у человека (также как и цвет кожи и радужки глаз) определяется соотношением двух разновидностей пигмента меланина — черно-коричневого эумеланина и красно-желтого феомеланина. Пигменты синтезируются из аминокислоты тирозина в специализированных клетках — меланоцитах, расположенных в волосяных фолликулах.

Известно, что выбор биосинтеза того или другого типа меланина клетками определяется активностью рецептора меланокортина 1, который расположен на поверхности меланоцитов и кодируется геном MC1R. Полиморфизмы в этом гене — в частности, некоторые варианты, приводящие к синтезу неактивного рецептора, связаны с рыжим цветом волос.

В новом исследовании международный коллектив ученых из Великобритании, Австралии, Италии, Нидерландов, Китая и США, включая сотрудников компании 23andMe, под руководством Тимоти Спектора (Timothy Spector) из Лондонского королевского колледжа обнаружил 124 генетических локуса, ассоциированных с цветом волос у человека. Один из этих локусов оказался связан с Х-хромосомой. Большинство установленных ассоциаций (111 из 124) оказались новыми, ранее неизвестными.

Генетические варианты были найдены при помощи мета-анализа двух огромных выборок, в сумме включающих почти 300 тысяч участников европейского происхождения. Данные о половине участников были предоставлены американской частной компанией 23andMe, которая занимается генетическим тестированием. Вторая половина данных была взята из базы UK Biobank, включающей информацию о показателях здоровья и генотипе значительного числа жителей Великобритании. Информацию о своем натуральном цвете волос участники сообщали самостоятельно.

Помимо уже известных полиморфизмов, связанных с пигментацией, например, в генах MC1R, HERC2, IRF4 и SLC45A, исследователи показали значимую ассоциацию с цветом волос с вариантами генов-регуляторов, кодирующих факторы транскрипции, таких как FOXO и SOX. Новый локус, связанный с цветом волос, был обнаружен на X-хромосоме в районе гена COL46A, кодирующего один из типов коллагена. В целом авторы заключили, что основной вклад в цвет волос вносят полиморфизмы в регуляторных генах, а не в генах, непосредственно связанных с пигментацией. В сумме найденные полиморфизмы объяснили всего 20% случаев наследуемости цвета волос, около 35% наследуемости рыжего цвета волос, 25% для светлых волос и 26% для черных.

В результате анализа данных ученые сделали вывод, что цвет волос в некоторой степени ассоциирован с полом человека — а именно, для женщин характерны более светлые оттенки волос.

Исследователи также проверили предсказательную силу найденных ассоциаций при помощи математической модели. Оказалось, что модель с хорошей вероятностью предсказывает черный и рыжий цвет волос, а для блондинов и шатенов предсказания оказались менее точными.

Следите за на

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.