研究人员发现了135个与色素沉着相关的新黑色素基因

超过八十亿人的皮肤、头发和眼睛的颜色是由称为黑色素的光吸收色素决定的。最近发表在《科学》杂志上的一篇文章介绍了俄克拉荷马大学可持续化学、生物和材料工程学院的主要作者兼助理教授VivekBajpai博士以及斯坦福大学的合作者的研究成果。他们的研究发现了135个与色素沉着相关的新基因。

黑色素是在称为黑素体的特殊结构中产生的。黑素体存在于产生黑色素的色素细胞(称为黑素细胞)内。尽管所有人的黑色素细胞数量相同，但它们产生的黑色素数量不同，从而导致人类肤色的差异。

“为了了解到底是什么导致不同数量的黑色素产生，我们使用了一种名为CRISPR-Cas9的技术对细胞进行基因改造，”Bajpai说。“利用CRISPR，我们系统地从数亿个黑色素细胞中去除了20,000多个基因，并观察了其对黑色素生成的影响。”

为了确定哪些基因影响黑色素的产生，需要将在基因去除过程中失去黑色素的细胞与数百万其他没有失去黑色素的细胞分开。Bajpai利用体外细胞培养物开发了一种新方法来实现这一目标，即检测和量化黑素细胞产生黑色素的活性。通过让光线穿过黑色素细胞，他可以记录光线是否被内部黑色素吸收或散射。

Bajpai说：“如果有大量产生黑色素的黑素体，那么光会比黑色素很少的细胞散射更多。”“使用一种称为流式细胞仪侧向散射的过程，我们能够分离出含有或多或少黑色素的细胞。然后分析这些分离的细胞以确定黑色素修饰基因的身份。我们发现了新的和以前已知的基因，这些基因在调节人类黑色素产生方面发挥着重要作用。”

研究人员发现了169个功能多样的基因影响黑色素的产生。其中135种以前与色素沉着无关。他们进一步鉴定了两个新发现的基因：KLF6和COMMD3的功能。DNA结合蛋白KLF6导致人类和动物黑色素生成的减少，这也证实了KLF6在其他物种黑色素生成中的作用。COMMD3蛋白通过控制黑素体的酸度来调节黑色素的合成。

从历史上看，靠近赤道的地区以及长时间暴露在阳光直射下的人们需要深色色素沉着来防止紫外线辐射。随着人类迁入阳光直射较少或日照时间较短的地区，所需的黑色素也随之减少。随着时间的推移，这会导致黑素体产生更少的黑色素，从而吸收更多的阳光。

“通过了解黑色素的调节因素，我们可以帮助保护浅肤色的人免受黑色素瘤或皮肤癌的侵害，”Bajpai说。“通过针对这些新的黑色素基因，我们还可以开发用于白癜风和其他色素沉着疾病的黑色素修饰药物。”

研究小组开发和使用的技术流程还可用于识别调节真菌和细菌中黑色素产生的基因。真菌和细菌中黑色素的产生使它们对人类或农作物更具致病性。研究人员可以通过发现和针对这些产生黑色素的基因来开发针对这些微生物及其疾病的有效干预措施。

Bajpai在这项研究中的角色是在他担任俄克拉荷马大学教授期间完成的。然而，这项研究的一部分是在他在斯坦福大学做博士后研究期间进行的。俄克拉荷马州成体干细胞研究中心的资助支持了这项研究。额外资金由美国国防部提供，CA160997;霍华德休斯医学院;国家普通医学科学研究所，NIHR35GM131757;斯廷哈特-里德奖;以及路德维希癌症干细胞研究和医学中心。