Über hundert neue Melanin-Gene identifiziert, die für die Pigmentierung verantwortlich sind

Die Haut-, Haar- und Augenfarbe von mehr als acht Milliarden Menschen wird durch das als Melanin bekannte lichtabsorbierende Pigment bestimmt. In einem kürzlich in der Zeitschrift „Science“ veröffentlichten Artikel werden Forschungsergebnisse von Dr. Vivek Bajpai, University of Oklahoma, und Mitarbeitenden der Stanford University, USA, vorgestellt. Ihre Forschung hat 135 neue Gene identifiziert, die mit der Pigmentierung in Verbindung stehen.

Melanin wird in Melanosomen produziert. Diese befinden sich im Inneren der Melanin produzierenden Pigmentzellen, den Melanozyten. Obwohl alle Menschen die gleiche Anzahl von Melanozyten haben, ist die Menge des von ihnen produzierten Melanins unterschiedlich, was zu den Unterschieden in der menschlichen Hautfarbe führt.

„Um zu verstehen, was tatsächlich dazu führt, dass unterschiedliche Mengen an Melanin produziert werden, haben wir eine Technologie namens CRISPR-Cas9 verwendet, um Zellen gentechnisch zu verändern“, so Bajpai. „Mit CRISPR haben wir systematisch mehr als 20.000 Gene aus Hunderten von Millionen Melanozyten entfernt und die Auswirkungen auf die Melaninproduktion beobachtet.“

Um herauszufinden, welche Gene die Melaninproduktion beeinflussen, mussten die Zellen, die während der Genentfernung Melanin verloren, von Millionen anderer Zellen getrennt werden, bei denen dies nicht der Fall war. Mithilfe von In-vitro-Zellkulturen entwickelte Bajpai eine Methode zur Erreichung dieses Ziels, die die melaninproduzierende Aktivität von Melanozyten nachweist und quantifiziert. Indem er Licht durch die Melanozyten schickte, konnte er aufzeichnen, ob das Licht vom Melanin im Inneren entweder absorbiert oder gestreut wurde.

„Wenn es viele Melanin produzierende Melanosomen gibt, wird das Licht viel stärker gestreut als in Zellen mit wenig Melanin“, sagte Bajpai. Mit einem Verfahren, das als Seitenstreuung der Durchflusszytometrie bezeichnet wird, konnten die Forschenden die Zellen mit mehr oder weniger Melanin trennen. Diese getrennten Zellen wurden dann analysiert, um die Identität der Melanin-modifizierenden Gene zu bestimmen. „Wir haben sowohl neue als auch bereits bekannte Gene identifiziert, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Melaninproduktion beim Menschen spielen“, so Bajpai.

Die Forschenden fanden 169 funktionell unterschiedliche Gene, die sich auf die Melaninproduktion auswirken. Von diesen Genen wurden 135 bisher nicht mit der Pigmentierung in Verbindung gebracht. Außerdem identifizierten sie die Funktion von zwei neu entdeckten Genen: KLF6 und COMMD3. Das DNA-bindende Protein KLF6 führte bei Menschen und Tieren zu einem Verlust der Melaninproduktion, was die Rolle von KLF6 bei der Melaninproduktion auch bei anderen Arten bestätigt. Das COMMD3-Protein reguliert die Melaninsynthese, indem es den Säuregehalt der Melanosomen kontrolliert.

Historisch gesehen war eine dunklere Pigmentierung zum Schutz vor ultravioletter Strahlung in äquatornahen Gebieten und für Menschen, die sich stundenlang im direkten Sonnenlicht aufhalten, notwendig. Als die Menschen in Gebiete mit weniger direkter Sonneneinstrahlung oder insgesamt weniger Stunden Tageslicht zogen, wurde weniger Melanin benötigt. Im Laufe der Zeit führte dies zu Melanosomen, die weniger Melanin produzierten und somit mehr Sonnenlicht absorbierten.

„Wenn wir verstehen, wie Melanin reguliert wird, können wir hellhäutige Menschen vor Melanomen oder Hautkrebs schützen“, sagte Bajpai. „Indem wir auf diese neuen Melanin-Gene abzielen, könnten wir auch Melanin-modifizierende Medikamente für Vitiligo und andere Pigmentierungskrankheiten entwickeln.“

Die vom Forschungsteam entwickelten und eingesetzten technologischen Verfahren könnten auch zur Identifizierung von Genen eingesetzt werden, die die Melaninproduktion in Pilzen und Bakterien steuern. Die Melaninproduktion in Pilzen und Bakterien ermöglicht es ihnen, pathogener für Menschen oder Nutzpflanzen zu sein. Forscher könnten wirksame Maßnahmen gegen diese Mikroben und ihre Krankheiten entwickeln, indem sie solche melaninproduzierenden Gene entdecken und gezielt einsetzen.