Колір шкіри та вітамін D: оновлення

Школа медицини, Інститут біомедицини, Університет Східної Фінляндії, Куопіо, Фінляндія

Листування

Карстен Карлберг, Медичний факультет, Інститут біомедицини, Університет Східної Фінляндії, POB 1627, FI ‐ 70211 Куопіо, Фінляндія.

Школа медицини, Інститут біомедицини, Університет Східної Фінляндії, Куопіо, Фінляндія

Листування

Інформація про фінансування:

C.C. фінансувалася Академією Фінляндії (грант № 267067).

Анотація

Homo sapiens еволюціонував у Східній Африці і мав темну шкіру, волосся та очі, щоб захистити від згубних наслідків інтенсивного УФ-випромінювання в екваторіальних широтах. Вважалося, що інтенсивна пігментація шкіри несе ризик неефективного синтезу вітаміну D3 в шкірі. Це ініціювало гіпотезу, що протягом останніх 75 000 років, коли люди мігрували у вищі широти Азії та Європи, потреба у синтезі вітаміну D3 послужила еволюційним рушієм для освітлення шкіри. У цьому огляді ми підсумовуємо недавню археогеномічну реконструкцію домішок населення в Європі та демонструємо, що освітлення шкіри відбулося ще 5000 років тому за рахунок імміграції світлих пігментованих популяцій із Західної Анатолії та Російської степу, але не в першу чергу через еволюційний тиск для синтезу вітаміну D3. Ми показуємо, що варіації генів, що кодують білки, що відповідають за транспорт, метаболізм і передачу сигналу вітаміну D, забезпечують альтернативні механізми адаптації до життя в північних широтах, не страждаючи від наслідків дефіциту вітаміну D. Сюди входять гіпотези, що пояснюють відмінності у статусі вітаміну D та індексі відповіді європейських популяцій.

Скорочення

1. ВСТУП

Більшість антропоморфних властивостей людини, таких як колір шкіри, волосся та очей [1], ґрунтуються на генотипі особин, тобто на функції та експресії їх генів. У наш час ці риси сильно відрізняються в залежності від людської популяції, але вони є результатом досить недавньої еволюції анатомічно сучасних людей (homo sapiens). Шкіра, волосся та очі були темними, коли це було 50-75 000 років тому homo sapiens залишив своє походження в екваторіальній Східній Африці і мігрував спочатку до Азії та Океанії, а пізніше до Європи та Америки. [2, 3] Зокрема, у північній Європі та Сибіру шкіра та волосся людини стали світлішими, а в Європі спостерігались блакитні очі, що призвели до градієнта пігментації Північ-Південь. [4] Це призводить до запитання, чи існували в нових географічних середовищах, таких як регіони досить високої широти, еволюційні фактори цих змін інтенсивності пігментації.

У цьому огляді ми оскаржуємо гіпотезу освітлення шкіри за рахунок вітаміну D, узагальнюючи останні археогеномічні дані про зміни кольору шкіри, волосся та очей у європейських популяціях за останні 10 000 років. Більше того, ми обговорюємо зміни частоти алелів однонуклеотидних поліморфізмів (SNP) у генах, пов'язаних з метаболізмом та функцією вітаміну D, порівнюючи сучасні європейські популяції з африканцями та східними азіатами. У цьому контексті ми представляємо власні гіпотези, що пояснюють відмінності у статусі вітаміну D та індексі реакції людей.

2 МЕЛАНІН І МОДУЛЯЦІЯ ЇЇ СИНТЕЗУ

Підсумовуючи, кілька варіацій генів, що беруть участь у меланогенезі, добре пояснюють відмінності в пігментації шкіри, волосся та очей, зокрема у європейських популяціях.

3 СИНТЕЗ ВІТАМІНУ D3 І ЙОГО МЕТАБОЛІТІВ

У сукупності вітамін D та його метаболіти є важливими біомолекулами, достатній синтез яких є критичним для ряду фізіологічних функцій людського організму.

4 ІСТОРІЯ ОСВІТЛЕННЯ ШКІРИ У ЄВРОПЕЙСЬКИХ

Хоча великі дослідження геномних асоціацій висвітлювали колір шкіри як високополігенну ознаку, [20, 61, 62] докази вибору варіантів пігментації у сучасних європейців були знайдені лише для обмеженої кількості варіантів з великим ефектом, перші два з яких виявилося локусами генів SLC24A5 і SLC45A2. [24, 63] Отже, світлий колір шкіри сучасних європейців в основному базується на несинонімічних SNP генів SLC24A5 і SLC45A2, географічним походженням яких є Західна Азія та Близький Схід [48] (рис. 2). Початкові оцінки, засновані на гаплотиповому різноманітті мікросупутників у сучасних людей, припустили, що похідні алелі цих SNP були поширеними в європейцях вже приблизно 11 000 - 19 000 років тому. [64, 65] Однак нещодавній археогеномічний аналіз, тобто секвенування цілого генома стародавньої ДНК, дозволив більш точно описати еволюцію та терміни змін ознак у європейських популяціях. [48, 56, 57, 65-70]

SNP rs1426654 в межах SLC24A5 ген має найбільший вплив на освітлення шкіри серед усіх варіантів генів, ідентифікованих на сьогодні. [66] Він розташований у великому (78 кб) блоці гаплотипу С11, спільно використовуваному практично всіма носіями цього алелю, включаючи древні скандинавські, східні та кавказькі мисливці-збирачі [48], припускаючи, що цей легкий варіант шкіри походить від одного носія які жили 22 000‐28 000 років тому [48, 71] на Близькому Сході. [72] Подібним чином, аналіз гаплотипу SNP rs16891982 з SLC45A2 ген зробив висновок, що ця мутація освітлення шкіри відбулася лише один раз у предках кавказців. [48, 73] Міграція через Кавказ та Східну Європу привела б обидва алели до Скандинавії, на відміну від Південної та Центральної Європи, де їх завезли фермери із Західної Анатолії [48], розширившись з 8500 до 5000 років тому [3] ( Малюнок 2, праворуч). Це було початком неолітичної революції в цих регіонах, що характеризується більш малорухливим способом життя та одомашненням певних видів тварин і рослин. [3]

Анатолійські фермери мали досить низький зріст тіла і переважно карі очі, що пояснює ключові антропоморфні риси сучасних південних європейців, на відміну від Ямная, який мав високий зріст і переважно поселився в Північній Європі. [3, 74] Більше того, ці степові скотарі привезли коня, колесо та індоєвропейські мови. [66, 74-76] Цікаво, що древні похідні популяції на півночі Євразії, такі як східні мисливці-збирачі та Ямнаї, несли алель світлого волосся RS12821256 KITLG ген до Європи. [66] Його перші дані були описані в 18 000-річній давній північно-євразійській країні на захід від озера Байкал (рис. 2, праворуч). Важливо зазначити, що чотири основні популяції євразійців, які були фермерами Плодючого Півмісяця (включаючи Західну Анатолію), фермери Ірану, мисливці-збирачі Центральної та Західної Європи, а також Східної Європи (рис. 2, праворуч). ), генетично відрізнялися один від одного, напевно, настільки ж, наскільки сьогоднішні європейці до східноазіатських. [77] Таким чином, класичний легкий фенотип європейців став частим лише протягом останніх 5000 років [3, 56, 70] і своїм походженням зобов’язаний мігрантам із Близького Сходу та Західної Азії. [48]

Таким чином, немає переконливих доказів прямого еволюційного впливу вітаміну D на освітлення шкіри європейців.

5 ГЕНЕТИЧНИХ ВАРІАНТІВ, ПОВ'ЯЗАНІ З МЕТАБОЛІЗМОМ ВІТАМІНУ D І СІГНАЛІЗАЦІЄЮ

Взяті разом, протягом останніх 40 000 років присутності homo sapiens в Європі були відібрані популяції за генетичними варіантами, які дозволили впоратися через різні механізми з нижчим рівнем циркулюючого 25 (OH) D3.

6 СТАТУС І ІНДЕКС ВІДПОВІДІ ВІТАМІНУ D

Таким чином, аналіз індексу відповіді на вітамін D може бути кращим параметром для опису потреб у вітаміні D, ніж посилання на статус вітаміну D.

7 ЕВОЛЮЦІЙНІ АДАПТАЦІЙНІ ГІПОТЕЗИ ВІТАМІНУ D

Третя гіпотеза передбачає, що популяціям у вищих широтах вдалося жити з нижчим статусом вітаміну D, оскільки їх система вітаміну D (ферменти, транспортер та рецептор) розвивала вищу спорідненість до вітаміну D3 та його метаболітів, так що він може бути активований нижчий рівень вітаміну D (малюнок 4, праворуч). Ця концепція має ту перевагу, що людям не доведеться прагнути до високого рівня вітаміну D. Однак, хоча подібні пристосування до спорідненості відомі з різних біологічних систем, таких як зондування глюкози або пристосування до холодної температури [105], поки що немає експериментальних доказів для цієї гіпотези.

Оскільки для людей, які відповідають на високий рівень вітаміну D, достатньо низький рівень вітаміну D все ще достатній для активації всіх цільових генів вітаміну D, [38] можливо, був відбір для тих, хто відповідає на вітамін D у північній Європі. Відповідно, гіпотеза 4 передбачає, що походження Ямної (включаючи походження від сибірських мисливців-збирачів) мало домінуючий вплив на фенотип північних європейців [3, 106], тобто разом з іншими рисами Ямная також приніс високу чутливість до вітаміну D до Європи, що можливо походили переважно з давніх північних євразійців (рис. 4, праворуч). У градієнті північ-південь люди з походженням із західноєвропейських мисливських збирачів можуть виявляти проміжну реакцію на вітамін D, а люди з анатолійськими фермерами найнижчі. Механістичною основою процесів, що лежать в основі гіпотез 3 і 4, є, ймовірно, СНП, обговорені в контексті гіпотези 2. Таким чином, гіпотези 3 і 4 тісно пов'язані з гіпотезою 2 і можуть бути представлені як одне поняття.

У сукупності концепція збільшення частоти ОНП, що впливають на систему вітаміну D, може служити заміною гіпотези про освітлення шкіри.

8 ВИСНОВОК

Проект 1000 геномів [107] показав, що люди європейської пристойності мають ряд варіантів у своєму геномі, які мають важливий вплив на ознаки, що формують їх фенотип. Основним прикладом цих ознак є толерантність до лактози, де завдяки SNP в межах підсилювача, що регулює LCT ген дорослих людей здатний засвоювати молочний цукор. Крім того, антропоморфні риси, такі як колір шкіри, волосся та очей, тепер добре зрозумілі на основі SNP, що впливають на гени SLC24A5, SLC45A2, OCA2, KITLG і інші. Гіпотеза освітлення шкіри Яблонського [8] була сформульована вперше 20 років тому і передбачала, що потреба в ефективному синтезі вітаміну D діяла як еволюційний рушій для освітлення шкіри у популяцій, що живуть у високих широтах. Однак археогеномічні дані вказують на те, що європейці зблідли як переважний колір шкіри всього близько 5000 років тому через схрещування з мігруючими популяціями, що походять з Анатолії та російського степу. Останні популяції, ймовірно, накопичували світлі алелі шкіри через генетичний дрейф [24], а не через вплив вітаміну D.

У цьому огляді ми надали альтернативні пояснення щодо адаптації системи вітаміну D під час міграції homo sapiens до географічних регіонів з низьким або відсутністю ендогенного виробництва вітаміну D3 протягом зими. Ці концепції засновані на SNP, що впливають на функцію генів, що беруть участь у синтезі вітаміну D, транспорті, метаболізмі, зв'язуванні з рецепторами та ефективності цільових генів. На закінчення, давньоєвропейські популяції мали справу в першу чергу зі своєю “проблемою вітаміну D” через вища чутливість до вітаміну D3 та його метаболітів, але менш вірогідна завдяки освітленню шкіри.

Подяки

Автори висловлюють подяку Яні Міеттінен за керівництво програмуванням R, Юху Кекелайнен та Теему Кууласмаа за біоінформаційну підтримку, а також Мауро Скаравіллі за цінні дискусії.