Цвет кожи — одна из самых заметных и отличительных черт внешности человека. Оттенок нашей кожи определяется количеством и типом пигментов меланина, вырабатываемых специализированными клетками кожи, называемыми меланоцитами. Пигменты меланина играют важную защитную роль, поглощая вредное ультрафиолетовое излучение солнца. Два основных типа меланина — эумеланин и феомеланин — также придают коже разнообразную пигментацию в разных популяциях. Понимание биологии цвета кожи проливает свет на эволюцию и разнообразие человека.
Меланоциты — это дендритные (ветвящиеся) клетки, расположенные в базальном слое эпидермиса, самом внешнем слое кожи. Меланоциты вырабатывают меланин в специализированных органеллах, называемых меланосомами. Затем меланосомы переносятся в соседние клетки кожи, называемые кератиноцитами. Кератиноциты — самые многочисленные клетки в эпидермисе, и они наделяют кожу ее цветом и фотозащитными свойствами. У людей около 1500 меланоцитов на квадратный миллиметр кожи.
Меланоциты происходят из непигментированных клеток-предшественников, называемых меланобластами, которые мигрируют из нервного гребня во время эмбрионального развития. Меланобласты интенсивно размножаются и мигрируют по всей развивающейся коже и волосяным фолликулам. Достигнув места назначения в коже и волосах, меланобласты дифференцируются в зрелые меланин-продуцирующие меланоциты.
Кератиноциты составляют более 90% клеток эпидермиса, самого внешнего слоя кожи. По мере того, как кератиноциты перемещаются из базального слоя эпидермиса к поверхности, они постепенно созревают и производят все больше и больше кератиновых белков. Кератиновые белки обеспечивают механическую прочность и водонепроницаемые свойства кожи, волос и ногтей. В процессе созревания кератиноциты также получают пигменты меланина от меланоцитов в базальном слое.
Кератиноциты фагоцитируют (поглощают) пакеты меланосом, выпущенные меланоцитами. Затем пигменты меланина располагаются вокруг ядра кератиноцитов, защищая их ДНК от УФ-излучения. Когда кератиноциты достигают поверхности кожи, они в конечном итоге умирают и отшелушиваются в ходе нормального обновления кожи. Пигменты меланина разрушаются и смываются с отшелушенными кератиноцитами.
Существует два основных типа меланина, вырабатываемого меланоцитами: коричнево-черный эумеланин и красно-желтый феомеланин. И эумеланин, и феомеланин образуются из аминокислоты тирозина в серии биохимических реакций.
Полимеры эумеланин эффективно поглощают фотоны по всему спектру УФ-излучения, обеспечивая большую фотозащиту. Феомеланин обладает пониженной способностью поглощать УФ-излучение и может даже способствовать повреждению, вызванному УФ-излучением, если присутствует в больших количествах.
Соотношение вырабатываемого эумеланина и феомеланина определяет цвет кожи и волос. Более высокие уровни эумеланина приводят к коричневым и черным оттенкам, в то время как более высокие уровни феомеланина придают желтые и красные оттенки.
Цвет кожи человека удивительно разнообразен в разных популяциях мира. Это фенотипическое разнообразие возникает в значительной степени из-за естественного отбора генетических вариантов, которые контролируют выработку и распределение меланина. Некоторые из ключевых генов, участвующих в определении нормальной пигментации кожи, включают:
Ген рецептора меланокортина 1 (MC1R) играет важную роль в контроле типа меланина. Варианты MC1R приводят к увеличению выработки феомеланина, что приводит к бледной коже и рыжим волосам. Варианты MC1R могли быть отобраны в популяциях людей северных широт, чтобы обеспечить синтез витамина D, индуцированный УФ-B.
Ген окулокутантного альбинизма II (OCA2) кодирует меланосомный трансмембранный белок, участвующий в наиболее распространенной форме альбинизма, расстройстве дефицита меланина. Генетические вариации, снижающие экспрессию OCA2, связаны с уменьшением выработки эумеланина и гипопигментацией.
Ген 24-го члена 5-го семейства переносчиков растворенных веществ (SLC24A5) кодирует белок в меланосомах, который импортирует кальций. Вариант SLC24A5 практически зафиксирован в европейских популяциях и, как полагают, истощает запасы кальция, необходимые для синтеза эумеланина. Это приводит к переходу от темной к более светлой пигментации кожи.
Ген тирозиназы (TYR) кодирует фермент, ограничивающий скорость, который катализирует первый этап выработки меланина из тирозина. Мутации в TYR приводят к окулокутантному альбинизму типа 1, характеризующемуся тяжелой гипопигментацией.
Кроме того, паттерны распределения меланина также имеют сильный генетический компонент, опосредованный сигнальными факторами, такими как альфа-меланоцитстимулирующий гормон, который индуцирует синтез меланина после воздействия УФ-излучения (загар).
Как клетки, ответственные за синтез меланина, меланоциты играют центральную роль в нарушениях пигментации и прогрессировании рака кожи меланомы.
Витилиго — это аутоиммунное заболевание, характеризующееся очаговой потерей цвета кожи из-за разрушения меланоцитов. Им страдают около 1% людей во всем мире. Как генетические, так и экологические факторы способствуют восприимчивости к витилиго.
Альбинизм включает в себя группу генетических нарушений, которые нарушают выработку меланина, что приводит к гипопигментации кожи, волос и глаз. Окулокутанный альбинизм поражает примерно 1 из 20 000 человек во всем мире.
Меланома — это рак, возникающий из трансформированных меланоцитов, содержащих онкогенные мутации. Меланома составляет всего 4% случаев рака кожи, но является причиной большинства случаев смерти от рака кожи из-за своего метастатического потенциала.
Цвет кожи претерпел адаптивную эволюцию у людей, связанную с географическими уровнями ультрафиолетового излучения и потребностью в витамине D. Сравнение коренных народов дает представление об этом процессе.
| Население | Расположение | Цвет кожи |
|---|---|---|
| Койсаны | Южная Африка | Светло-коричневый |
| Бушмены Сан | Намибия, Ботсвана | Желтовато-коричневый |
| Банту | Африка к югу от Сахары | От среднего до темно-коричневого |
| Нилотские | Восточная Африка | Темно-коричневый |
| Северная Африканцы | Алжир, Египет | Оливковый до коричневого |
| Коричневый до черного | ||
| Жители Андаманских островов | Андаманские острова | Темно-коричневый |
| Южная Азия | Индия, Пакистан | Коричневый |
| Северная Европа | Скандинавия, Британские острова | Бледно-белый |
| Южная Европа | Испания, Италия | Оливково-белый |
У коренных африканцев к югу от Сахары самые высокие уровни пигментации темной кожи, богатой эумеланином, из-за интенсивного воздействия УФ-излучения вблизи экватора. У северных европейцев самая светлая окраска кожи из-за положительного отбора депигментирующих аллелей, которые максимизируют выработку витамина D при более низких уровнях УФ-В.
Подводя итог, можно сказать, что меланоциты и кератиноциты являются двумя наиболее важными типами клеток, которые определяют цвет кожи посредством синтеза, переноса и распределения меланина. Тип и количество меланинов, вырабатываемых меланоцитами, которые находятся под сложным генетическим контролем, обуславливают разнообразие тонов кожи человека. Пигменты меланина также обеспечивают селективное преимущество, защищая от УФ-излучения в экваториальных регионах. Дальнейшие исследования продолжают открывать новые генетические локусы и адаптивные влияния, которые сформировали палитру пигментации кожи человека во время нашего эволюционного путешествия из Африки.