Ein Buchstabe der DNA definiert "Haarfarbe"

Laut einer neuen Analyse von Forschern des Howard Hughes Medical Institute in Chevy Chase, MD, ist das Ändern eines einzigen Buchstabens des genetischen Codes ausreichend, um blonde Haare beim Menschen zu erzeugen.

David Kingsley vom Howard Hughes Medical Institute hat die Entwicklung der Stichlinge - der kleinen Fische, die am Ende der letzten Eiszeit aus den Meeren kamen, um Seen und Flüsse zu besiedeln - seit 10 Jahren untersucht.

Mit Hilfe der adaptiven Reaktionen der Stichlinge auf verschiedene Habitate als Fallstudie konnten Kingsley und seine Kollegen molekulare Veränderungen identifizieren, die für die Evolution verantwortlich sind. In jüngerer Zeit haben sie ihre Aufmerksamkeit darauf gerichtet, zu sehen, wie sich die Evolution des Stichlings auf andere Arten wie den Menschen auswirken könnte.

Die Forschung, die Kingsleys Team dazu brachte, den für die Haarfarbe verantwortlichen genetischen Code zu untersuchen, betraf zunächst Veränderungen der Stichlingspigmentierung. Im Rahmen einer Studie aus dem Jahr 2007 stellten sie fest, dass eine Veränderung des gleichen Gens die Pigmentierung in verschiedenen Populationen von Stichlingen auf der ganzen Welt beeinflusst hat.

Interessanterweise fanden sie heraus, dass diese genetische Veränderung nicht nur für den Stichling charakteristisch ist.

Das gleiche Gen bei Stichlingen und Menschen steuert die Pigmentierung

"Das gleiche Gen, das wir bei der Kontrolle der Hautfarbe bei Fischen vorfanden, zeigte eine der stärksten Signaturen der Selektion in verschiedenen menschlichen Populationen auf der ganzen Welt", sagt Kingsley.

Verschiedene Versionen dieses Gens - "Kit-Ligand" genannt - sind beim Menschen mit Unterschieden in der Hautfarbe verbunden. Sowohl bei Fischen als auch bei Menschen fand Kingsley heraus, dass genetische Veränderungen, die für Pigmentierungsunterschiede verantwortlich sind, in regulatorischen Elementen des Genoms stattfinden.

"Es sah so aus, als ob regulatorische Mutationen sowohl bei Fischen als auch bei Menschen Pigment veränderten", sagt Kingsley.

Aber das Aufspüren spezifischer regulatorischer Elemente im gesamten Genom ist wie das Finden einer Nadel im sprichwörtlichen Heuhaufen. "Wir müssen ziemlich wählerisch sein, welche regulatorischen Elemente wir heranziehen", räumt Kingsley ein.

Neben der Kodierung eines Proteins, das pigmentproduzierende Zellen entwickelt, hat Kit-Ligand jedoch viele andere Funktionen. Zum Beispiel beeinflusst es das Verhalten von Blutstammzellen, Spermien oder Eivorläufern und Neuronen im Darm.

Das Team war interessiert zu sehen, ob sie die regulatorischen Veränderungen im Kit-Liganden, der für die Haarfarbe verantwortlich ist, isolieren konnten, ohne irgendeine der anderen Funktionen des Gens zu beeinflussen.

"Aktivieren" der haarfarbenbestimmenden Kräfte des Kit-Liganden

Um dies zu erreichen, schnitt eine Forschungsspezialistin in Kingsleys Team - Catherine Guenther - Segmente der menschlichen DNA in der betroffenen Region heraus und verknüpfte jedes Stück mit einem Reportergen. Wenn diese Gene korrekt "anschalten", erzeugen sie eine markante blaue Farbe.

Als nächstes führte Guenther diese Stücke von eingeschalteter DNA in Mäuse ein. Dies erlaubte dem Team, den Umfang ihrer Suche weiter einzuschränken, bis sie ein einzelnes DNA-Stück isoliert hatten, das die Genaktivität für die Entwicklung von Haarfollikeln anschaltete.

Bei der weiteren Untersuchung der DNA in diesem regulatorischen Segment stellte das Team fest, dass es sich nur um einen einzelnen Buchstaben des genetischen Codes handelte, der sich zwischen Menschen mit unterschiedlichen Haarfarben unterschied.

Die Versionen dieser DNA, die mit verschiedenen Haarfarben assoziiert sind, wurden dann jeweils an dem Kit-Liganden-Gen unter Verwendung kultivierter Zellen getestet. Der "blonde" Schalter reduzierte die Aktivität des Gens um etwa 20%, was die Forscher zu dem Schluss führte, dass sie eine kritische Komponente der DNA-Sequenz identifiziert hatten.

Mäuse wurden dann so manipuliert, dass sie ein Kit-Ligand-Gen entweder unter den genetischen Schaltern für blondes oder brünettes Haar platziert haben. Kingsley erklärt die Ergebnisse:

"Sicher genug, wenn man sie anschaut, reicht dieses eine Basenpaar aus, um die Haarfarbe der Tiere aufzuhellen, obwohl es nur einen 20% igen Unterschied in der Genexpression gibt. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie fein abgestimmte Regulationsunterschiede sind kann sein, verschiedene Eigenschaften zu produzieren. Der genetische Mechanismus, der blondes Haar kontrolliert, ändert nichts an der Biologie von irgendeinem anderen Teil des Körpers. Es ist ein gutes Beispiel für eine Eigenschaft, die Haut tief ist - und nur Haut tief. "

Ihre Arbeit mit dem Anschalten verschiedener Haarfarben hat das Team zu der Vermutung geführt, dass das Genom "mit Schaltern übersät ist". Kingsley denkt, dass die verschiedenen Aktivitäten des Kit-Liganden sowie andere Gene durch sehr feine DNA-Anpassungen angepasst werden können.

Brian Kingsley hofft, dass diese Arbeit nicht nur zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen der menschlichen Diversität beitragen kann, sondern auch dazu führen kann, dass die menschliche Resistenz gegen viele verbreitete Krankheiten verbessert wird.

"Der Trick ist", sagt er, "welche Schalter sich geändert haben, um welche Eigenschaften zu erzeugen."

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