膚色差異是不同人群最顯著的表型特征之一。 膚色是人類適應太陽的紫外線輻射而自然選擇形成的，也是人類在不同緯度長期生活適應力前進演化的一個重要標誌。 現代人類起源於非洲，目前非洲人群具有世界上最豐富的遺傳多樣性和表型多樣性。 不同地區的非洲人群，膚色差異很大。 特別是居住在非洲南部的桑人（KhoeSan）,他們具有人類最古老的遺傳成分，而且膚色最淺，但其淺膚色的遺傳學基礎以及適應力前進演化的機制尚缺乏研究。 研究人類膚色多樣性的遺傳機制及其生物學基礎，不僅可以增進對人類表型前進演化的理解，還可以為皮膚相關疾病的診治提供指導。
2024年1月10日，賓夕法尼亞大學Sarah A. Tishkoff教授團隊（馮園慶博士為第一作者，謝寧博士為第二作者）與合作者在Nature Genetics線上發表題為「Integrative functional genomic analyses identify genetic variants influencing skin pigmentation in Africans」的研究論文，該研究運用整合基因組學和功能基因組學對非洲人群膚色進行研究，揭示了人類膚色多樣性和適應力前進演化的遺傳機制。
膚色是具有高度遺傳性的復雜性狀，受到數百個基因位點的影響。全基因組關聯分析表明人類膚色相關突變中，90%以上都是位於非編碼區，如何研究非編碼區突變的功能是一個挑戰。研究者運用了兩種方法尋找與皮膚色素相關的候選單核苷酸突變（SNP），一種是透過對多個種族的非洲人群進行膚色相關的全基因組關聯分析（GWAS）獲得GWAS-SNP，一種是透過自然選擇掃描（natural selection scan）對淺膚色的桑人群與其他深膚色的非洲人群進行比較獲得顯著差異的Di-SNP。大規模平行報告基因檢測技術(massively parallel reporter assays, MPRA)可以同時檢測基因組數千個調控元件及突變的調控活性。研究者挑選出位於黑色素細胞的開放染色質區域中的候選SNP，使用MPRA檢測了這些候選SNP的調控活性。
為了辨識這些SNP的潛在靶基因，使用 Hi-C和pK27ac HiChIP技術，構建了高分辨率的染色質相互作用圖譜。最後，結合熒光素酶報告基因檢測、CRISPR介導的基因組編輯、轉錄組分析和黑色素豐度檢測，發現了多個顯著影響黑素細胞中黑色素水平的新突變、強化子和新基因，揭示了調控人類皮膚色素的遺傳機制。從20,000多個透過全基因組關聯分析和自然選擇掃描得到的候選SNP中，研究者選擇了1,157個 SNP用於MPRA，鑒定出165個可以改變調控活性的功能性SNP(MFV)（圖1）。進一步驗證了其中16個MFV可以調控強化子活性，並使用功能基因組方法鑒定了它們的靶基因。
圖1. 大規模篩選與非洲人膚色相關的遺傳突變。左圖，篩選候選SNP示意圖。右圖，MPRA流程圖。
與其他非洲人群相比，非洲南部的桑人群膚色最淺，並且擁有人類最古老的遺傳譜系。研究發現MITF附近的rs111969762、LEF1附近的rs17038630和TRPS1附近的 rs11985280，這三個Di-SNP均能顯著影響強化子活性及其靶基因的表達，可能對桑人皮膚色素的適應力前進演化發揮了作用。MITF、LEF1和TRPS1參與調節黑色素細胞的分化和毛發的發育，這表明在桑人中觀察到的影響膚色的突變也可能影響其獨特的頭發形態。值得註意的是，TRPS1附近的突變rs11985280，與淺膚色相關的突變頻率在桑人和大多數非洲以外人群中接近100%，而與深膚色相關的突變頻率在大多數深膚色的非洲人群和深膚色的美拉尼西亞人群中很高，這是一個全球對紫外線照射的適應的典型例子。
研究發現OCA2（一種與白化病相關的基因）強化子的突變rs6497271可導致黑色素細胞裏的黑色素水平降低75%。並且，在同一個OCA2強化子中，有兩個位置相鄰很近的突變均可顯著影響調控活性，這兩個突變分別有120萬年和5.7萬年的歷史，後者與人類遷出非洲的時期很巧合的一致。這個研究說明人類的膚色在不斷演變，並且這樣的演變在不同的時期發生在同一個重要基因的同一個強化子上。研究還發現GWAS-SNP rs7948623的主要靶基因是CYB561A3和TMEM138（圖2）。重要的是，透過功能實驗，進一步發現了CYB561A3是一個影響人類皮膚色素的新基因，它能夠調控線粒體呼吸和黑素生成相關的基因表現。
圖2. GWAS-SNP rs7948623 的主要靶基因是CYB561A3和TMEM138。左圖，MPRA 在 DDB1 基因座附近鑒定出的3個調控突變。右圖，Hi-C 和 pK27ac HiChIP 鑒定 DDB1基因座附近的染色質相互作用。
本研究綜合群體遺傳學和功能基因組學，GWAS和前進演化分析，MPRA技術，結合Hi-C、CRISPR基因編輯等實驗技術，一次性檢測成千上萬個非編碼突變的功能，鑒定了功能突變的靶基因，發現了調控色素的新基因。這種整合基因組學方法，可廣泛推廣套用於高通量地研究人類疾病或復雜性狀的遺傳因素，鑒定功能性突變以及新的致病基因，為精準醫療和藥物靶點鑒定提供指導。
人類膚色的差異變化是一種復雜的適應力特征，受到眾多遺傳位點的影響。本研究發現了非編碼突變在決定人類膚色上發揮著重要作用，強調了影響膚色的遺傳因素的復雜性，也凸顯出研究具有高度的遺傳多樣性和表型多樣性的人群，對確定復雜性狀的遺傳基礎十分重要。同時，研究提供了膚色多樣性的歷史前進演化的新資訊，有助於更清晰地描述人類前進演化。
參考文獻：
Feng Y, Xie N, Inoue F, Fan S, Saskin J, et al. Integrative functional genomic analyses identify genetic variants influencing skin pigmentation in Africans. Nat Genet. 2024 Jan 10. doi: 10.1038/s41588-023-01626-1. Epub ahead of print. PMID: 38200130.
責編 |探索君
排版|探索 君
文章來源|「iNature」
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