Kolor skóry, włosów i oczu ponad ośmiu miliardów ludzi zależy od absorbującego światło pigmentu znanego jako melanina. Artykuł opublikowany niedawno w czasopiśmie Science zawiera badania dr Viveka Bajpai, głównego autora i adiunkta w Szkole Zrównoważonej Inżynierii Chemicznej, Biologicznej i Materiałowej na Uniwersytecie w Oklahomie oraz współpracowników z Uniwersytetu Stanforda. Ich badania zidentyfikowały 135 nowych genów związanych z pigmentacją.
Melanina jest wytwarzana w specjalnych strukturach zwanych melanosomami. Melanosomy znajdują się wewnątrz komórek barwnikowych wytwarzających melaninę, zwanych melanocytami. Chociaż wszyscy ludzie mają taką samą liczbę melanocytów, ilość wytwarzanej przez nich melaniny jest różna i powoduje różnice w kolorze ludzkiej skóry.
„Aby zrozumieć, co faktycznie powoduje wytwarzanie różnych ilości melaniny, wykorzystaliśmy technologię o nazwie CRISPR-Cas9 do genetycznej inżynierii komórek” – powiedział Bajpai. „Korzystając z CRISPR, systematycznie usuwaliśmy ponad 20 000 genów z setek milionów melanocytów i obserwowaliśmy wpływ na produkcję melaniny”.
Aby zidentyfikować, które geny wpływają na produkcję melaniny, komórki, które utraciły melaninę podczas procesu usuwania genu, musiały zostać oddzielone od milionów innych komórek, które tego nie zrobiły. Wykorzystując hodowle komórkowe in vitro, Bajpai opracował nowatorską metodę służącą do osiągnięcia tego celu, która wykrywa i określa ilościowo aktywność melanocytów do wytwarzania melaniny. Przepuszczając światło przez melanocyty, mógł rejestrować, czy światło było pochłaniane, czy rozpraszane przez melaninę w środku.
„Jeśli jest dużo melanosomów wytwarzających melaninę, światło będzie rozpraszać znacznie bardziej niż w komórkach z małą ilością melaniny” – powiedział Bajpai. „Korzystając z procesu zwanego rozpraszaniem bocznym cytometrii przepływowej, byliśmy w stanie oddzielić komórki z większą lub mniejszą ilością melaniny. Te oddzielone komórki zostały następnie przeanalizowane w celu określenia tożsamości genów modyfikujących melaninę. Zidentyfikowaliśmy zarówno nowe, jak i wcześniej znane geny, które odgrywają odgrywają ważną rolę w regulacji produkcji melaniny u ludzi”.
Naukowcy odkryli 169 funkcjonalnie zróżnicowanych genów, które wpłynęły na produkcję melaniny. Spośród nich 135 nie było wcześniej związanych z pigmentacją. Ponadto zidentyfikowali funkcję dwóch nowo odkrytych genów: KLF6 i COMMD3. Wiążące DNA białko KLF6 doprowadziło do utraty produkcji melaniny u ludzi i zwierząt, potwierdzając rolę, jaką KLF6 odgrywa w produkcji melaniny również u innych gatunków. Białko COMMD3 regulowało syntezę melaniny poprzez kontrolowanie kwasowości melanosomów.
Historycznie rzecz biorąc, ciemniejsza pigmentacja była potrzebna do ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym na obszarach położonych bliżej równika i dla ludzi, którzy spędzają godziny w bezpośrednim świetle słonecznym. Gdy ludzie przenieśli się na obszary o mniejszej ilości bezpośredniego światła słonecznego lub ogólnie mniejszej liczbie godzin światła dziennego, potrzeba było mniej melaniny. Z biegiem czasu spowodowało to, że melanosomy wytwarzały mniej melaniny, pochłaniając w ten sposób więcej światła słonecznego.
„Rozumiejąc, co reguluje melaninę, możemy pomóc chronić osoby o jaśniejszej karnacji przed czerniakiem lub rakiem skóry” – powiedział Bajpai. „Celując w te nowe geny melaniny, moglibyśmy również opracować leki modyfikujące melaninę na bielactwo i inne choroby pigmentacyjne”.
Procesy technologiczne opracowane i stosowane przez zespół badawczy można również zastosować do identyfikacji genów regulujących produkcję melaniny u grzybów i bakterii. Produkcja melaniny w grzybach i bakteriach sprawia, że są one bardziej chorobotwórcze dla ludzi lub upraw. Naukowcy mogliby opracować skuteczne interwencje przeciwko tym drobnoustrojom i ich chorobom, odkrywając i ukierunkowując takie geny produkujące melaninę.
Rola Bajpai w badaniu została zakończona podczas jego profesury na Uniwersytecie w Oklahomie. Jednak część tych badań miała miejsce podczas jego stypendium naukowego podoktoranckiego na Uniwersytecie Stanforda. Badanie zostało wsparte grantem z Oklahoma Center for Adult Stem Cell Research. Dodatkowe fundusze zapewnił Departament Obrony USA, CA160997; Instytut Medyczny Howarda Hughesa; Narodowy Instytut Ogólnych Nauk Medycznych, NIH R35 GM131757; Nagroda Stineharta-Reeda; oraz Ludwig Center for Cancer Stem Cell Research and Medicine.