Forscher identifizieren 135 neue Melanin-Gene, die für die Pigmentierung verantwortlich sind

Melanin wird in speziellen Strukturen, den sogenannten Melanosomen, produziert. Melanosome befinden sich in Melanin produzierenden Pigmentzellen, den sogenannten Melanozyten. Obwohl alle Menschen die gleiche Anzahl an Melanozyten haben, ist die Menge an Melanin, die sie produzieren, unterschiedlich und führt zu Variationen in der menschlichen Hautfarbe.

„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“, sagte Bajpai. „Mithilfe von CRISPR haben wir systematisch mehr als 20.000 Gene aus Hunderten Millionen Melanozyten entfernt und die Auswirkungen auf die Melaninproduktion beobachtet.“

Um herauszufinden, welche Gene die Melaninproduktion beeinflussen, mussten Zellen, die während des Genentfernungsprozesses Melanin verloren, von Millionen anderer Zellen getrennt werden, die dies nicht taten. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte Bajpai mithilfe von In-vitro-Zellkulturen eine neuartige Methode, die die Melanin-produzierende Aktivität von Melanozyten nachweist und quantifiziert. Indem er Licht durch die Melanozyten leitete, 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 namens Seitenstreuung der Durchflusszytometrie konnten wir Zellen mit mehr oder weniger Melanin trennen. Diese getrennten Zellen wurden dann analysiert, um die Identität melaninmodifizierender Gene zu bestimmen. Wir identifizierten sowohl neue als auch bereits bekannte Gene, die eine Rolle spielen.“ spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Melaninproduktion beim Menschen.“

Die Forscher fanden 169 funktionell unterschiedliche Gene, die die Melaninproduktion beeinflussten. Davon waren 135 zuvor nicht mit Pigmentierung verbunden. Sie identifizierten außerdem die Funktion zweier neu entdeckter Gene: KLF6 und COMMD3. Das DNA-bindende Protein KLF6 führte bei Menschen und Tieren zu einem Verlust der Melaninproduktion, was bestätigt, dass KLF6 auch bei anderen Arten eine Rolle bei der Melaninproduktion spielt. Das COMMD3-Protein regulierte die Melaninsynthese, indem es den Säuregehalt der Melanosomen kontrollierte.

In der Vergangenheit war eine dunklere Pigmentierung zum Schutz vor ultravioletter Strahlung in Gebieten näher am Äquator und für Menschen, die stundenlang direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt waren, erforderlich. Da Menschen in Gebiete mit weniger direkter Sonneneinstrahlung oder insgesamt weniger Stunden Tageslicht zogen, wurde weniger Melanin benötigt. Dies führte im Laufe der Zeit dazu, dass Melanosomen weniger Melanin produzierten und somit mehr Sonnenlicht absorbierten.

„Indem wir verstehen, was Melanin reguliert, können wir dazu beitragen, hellhäutige Menschen vor Melanomen oder Hautkrebs zu schützen“, sagte Bajpai. „Indem wir auf diese neuen Melanin-Gene abzielen, könnten wir auch Melanin-modifizierende Medikamente gegen Vitiligo und andere Pigmentierungserkrankungen entwickeln.“

Die vom Forscherteam entwickelten und eingesetzten technologischen Verfahren könnten auch zur Identifizierung von Genen eingesetzt werden, die die Melaninproduktion in Pilzen und Bakterien regulieren. Die Melaninproduktion in Pilzen und Bakterien ermöglicht es ihnen, für Menschen oder Nutzpflanzen pathogener zu sein. Forscher könnten wirksame Interventionen gegen diese Mikroben und ihre Krankheiten entwickeln, indem sie solche Melanin-produzierenden Gene entdecken und gezielt bekämpfen.

Bajpais Rolle in der Studie wurde während seiner Professur an der University of Oklahoma abgeschlossen. Ein Teil dieser Forschung fand jedoch während seines Postdoktorandenstipendiums an der Stanford University statt.

Der Artikel „Ein genomweites genetisches Screening deckt Determinanten der menschlichen Pigmentierung auf“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.