Variabilita pigmentace

Transkript

1 Variabilita pigmentace

2 Melanocyt Vlasy Epigenetik a Oč i Genetik a Melanin Pokožk a Prostřed í

3 Měření pigmentace Neinvazivní -Vzorníky -Spektrofotometrie -Chromometrie Invazivní - Měření obsahu melaninu (HPLC) - Histologická vyšetření

4 Melani n Melanin - Je pigment, který se vyskytuje u lidí, zvířat i rostlin. Jedná se polymer z tryptofanu a tyrosinu a u lidí je přítomen ve dvou formách: eumalenin a feomelanin. Melanin funguje jako optický filtr regulující průnik UV záření do hlubších vrstev pokožky jeho rozptylem, a jako chemický filtr schopný absorbovat látky, které mohou být toxické nebo karcinogenní v důsledku působení fotochemických reakcí. Melanocyty - Jsou dendritické, pigmentové buňky odvozené od neurální trubice. Nachází se ve spodních vrstvách pokožky, v oku, vnitřním uchu a mozkových plenách. Melanozomy - Jsou organely ovoidního tvaru. Pokud melanozom obsahuje dostatečné množství melaninu, označuje se za zralý. Takovýto melanozom je transportován přes dendritické výběžky melanocytů do sousedních keratinocytů. Uvnitř těchto buněk je cytoskeletálním systémem regulována distribuce melanozomů, mikrotubuly drží melanozomy v okolí jádra, kde vytvářejí tzv. jadernou čepici, která slouží jako ochrana před UV zářením.

5 Melanocyt y melanocytů na milimetr kůže 1 melanocyt je v kontaktu se ~ 40 keratinocyty 7. týden postnatálního vývoje začátek tvorby melaninu Do melanogeneze je zapojeno přes 100 genů

6 Melanogene ze Melanogeneze je proces při kterém jsou produkovány pigmenty - melaniny. Oba typy melaninu jsou syntetizovány z aminokyseliny tyrozinu v biosyntetické dráze závislé na tyrozináze. Tyrozináza je klíčovým enzymem melanogeneze. Je to glykoprotein nacházející se na membráně melanozomu, a je důležitým katalyzátorem v prvních fázích produkce melaninů hydroxylace tyrozinu na L-dihydroxyfenylalanin (LDOPA) a následná oxidace L-DOPA na Ldopaquinone. Zde se biosyntetická cesta liší podle typu melaninu, který má být syntetizován. Při syntéze eumelaninu je rozhodující přítomnost TRP (Tyrosine-related protein) 1 a 2. Pro feomelanin je důležitá přítomnost thiolu Pheomelanin Eumelanin Červená/zrzavá barva Tmavě hnědá/černá barva Náchylnější na poškození UV DHICA bohatý světle hnědá DHI bohatý tmavě hnědá DHI = 5,6-ihydroxyindol DHICA = 5,6-dihydroxyindol-2carboxylová kyselina

7 Regulace melanogeneze Melanogeneze je indukovaná a konstitutivní Melanotropní hormony Především α-melanin stimulující hormon(α-msh), který je produkován samotnými melanocyty a sousedícími keratinocyty. UV záření UV zářením indukovaná melanogeneze je opalování. Po dopadu UV záření na keratinocyty se produkce α-msh zvýší až 30krát. Dochází k poškození DNA zejména thyminovými dimery acyklobutanpyrimidinovými dimery, které vznikají po ozáření DNA UVB(~ nm). Thyminové diméry přímo aktivují tumor supresorový gen p53, který je důležitý pro opravy DNA a apoptózu, a mimo jiné reguluje expresi genu pro tyrozinázu. Pohlavní hormony Několik studií ukázalo spojitost mezi estrogeny a melanocyty. U žen v těhotenství nebo žen užívajících hormonální antikoncepci se může objevit zvýšená pigmentace. Další faktory basic fibroblast growth factor (bfgf), nerve growth factor (NGF), endotheliny, granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), leukemia inhibitory factor (LIF) a hepatocyte growth factor (HGF), léčiva, věk, zranění, gravidita, autoimunitní onemocnění

8 Pigmentace v pokožce Bariéra proti různým druhům poškození (UV radiace, mechanické, chemické a biologické poškození) periferní systém vnímání, systém udržující homeostázi těla 2 m2 plochy, ~ 2.5 mm průměrná tloušťka, 6% váhy těla (5 6 kg) bariéra proti vysychání, vodotěsný obal, udržování tělesné teploty ochrana proti UV radiaci absorbující pigmentační systém komplexní imunoregulační ochrana ph mírně kyselé Primárně dvě vrstvy: pokožka (epidermis) - izolace proti vysychání, bariéra proti infekci Škára (dermis) regulace teploty a zásobování epidermis živinami

9 Pigmentace v pokožce Barvu kůže určuje melanin, karoten a hemoglobin. Karoten, který získáváme například z mrkve je oranžové barvivo, ukládající se v povrchové vrstvě zvané epidermis. Hemoglobin je v kožních cévách, dodává růžový nádech. Základní mechanismy změny intenzity pigmentace kůže při opalování: - redistribuce melaninu směrem ke kožnímu povrchu - změna uložení melaninu v melanocytech - nová syntéza melaninu - zmnožení melanocytů Keratinocyty poškozené UV apoptóza + POMC (prekurzor MSH) melanocyty stimulující hormon váže se na MCIR receptor stimuluje přepis genů pro syntézu melaninu melanozomy putují do keratinocytů a chrání jádro.

10 Genetický základ pigmentace pokožky MC1R (melanocortin-1 receptor) MC1R má klíčovou roli v přepínání produkce z feomelaninu na eumelanin a opačně. Tento gen prokazuje obrovský polymorfismus na celém světě. Nejnižší variabilita tohoto genu byla objevena v Africe, přestože africké populace vykazují obvykle v jiných lokusech polymorfismus vyšší než populace jiné. Také ostatní tmavě pigmentované populace jako jižní Asiaté nebo Papuánci vykazovali nízký polymorfismus, což poukazuje na silné funkční omezení MC1R u tmavě pigmentovaných populací - předpoklad selekčního tlaku na zachování MC1R kódující oblasti. Polymorfismus MC1R je vyšší v ostatních regionech jako východní Asie, jihovýchodní Asie a v Evropě. Pro asijské populace je typické rozšíření dvou variant - Val92Met a Arg163Gln, která je varianta rozšířená mezi Asiaty obecně s postupným poklesem od jihovýchodu k severozápadu Asie. Alela Arg163Gln byla objevena u několika původních obyvatel amerického kontinentu. Nejvyšší frekvence Arg163Gln je u Tibeťanů, až 85%, pravděpodobně v důsledku genetického driftu nejnižší Ujgurů cca 40%. V Evropě bylo objeveno přes třicet alel MC1R, z nichž nejméně devět se vyskytuje ve frekvenci vyšší než 1% u různých Evropských populací a sedm z těchto alel má větší podíl účasti na formování světlé komplexe (světlé nebo zrzavé vlasy a světlá pokožka), zejména varianty Asp84Glu,Arg151Cys, Arg160Trp a Asp294His. Funkčně vykazují některé z těchto variant sníženou schopnost navázání αmsh, aktivování adenyl cyklázy nebo kombinaci obou, což vede k převážné produkci feomelaninu. Nositelé těchto funkčních variant se hůře opalují a snadněji se spálí při vystavení slunečnímu záření.

11 Genetický základ pigmentace pokožky SLC24A5 (solute carrier family 24 member 5) Tento gen kóduje katex (kationtový výměník) nacházející se v melanocytech. Alela Ala111Thr se vyskytuje téměř výhradně u evropské populace, čímž tvoří 25-38% rozdílu v barvě pleti vůči Afričanům a jihovýchodním Asiatům. Usuzuje se, že africká a asijská forma je původní, zatímco evropská forma je odvozená. Gen SLC45A2 (solute carrier family 45 member 2), nebo také označovaný jako MATP (membraneassociated transporter protein) Tento gen kóduje sodíko -vodíkový výměník, který reguluje ph v melanocytech, čímž mění aktivitu tyrozinázy v melanozomech a tím i výslednou barvu pleti. SNP Phe374Leu je zodpovědný za tmavší barvu kůže, vlasů, ale i očí. V nejvyšším zastoupení je u evropských populací, nižší frekvence byly popsány u populací Blízkého východu, střední Asie a severní Afriky. V jiných oblastech světa se tato mutace vyskytuje jen zřídka. U Afroameričanů naopak tato mutace způsobuje vznik světlejší barvy pleti. Obecně se usuzuje, že původní forma tohoto genu je zodpovědná za vyšší produkci melaninu.

12 Genetický základ pigmentace pokožky OCA2 (oculocutaneous albinism II, také nazývaný P-gen) Gen kóduje ph regulující kanál v melanocytech a tím přispívá k optimální aktivitě tyrozinázy. Vykazuje polymorfismus His615Arg, vyskytující se výhradně u populací východní Asie, přičemž v jiných populacích nebyl doposud nalezen. To podporuje hypotézu odlišného mechanizmu vzniku světlé barvy pleti mezi Evropany a Asiaty. Nositelé odvozené alely (Arg) mají nižší hladinu melaninu v melanozomech než nositelé alely původní. ASIP (agouti signaling peptide) Je gen kódující produkt vážící se na MC1R, jako jeho antagonista, spouštějící produkci feomelaninu. ASIP je asociován s tmavou kůží, tmavými vlasy a oči. Polymorfismus 8818G>A se projevuje světlejší barvou pokožky a u některých populací může přispívat ke snížení pigmentace. TYR (tyrozináza) Ser192Tyr je mutace spojená se světlejší barvou pleti, a mohla by být považována jako jedena z určujících rozdílů mezi evropskými a africkými populacemi. Gen KIT ligand (KITLG) ovlivňuje proliferaci, migraci a přežití melanocytů a podílí se na celkovém zbarvení pleti. Jeho mutace A326G je spojována s variací bravy pleti u Afroameričanů, potomků afrických a evropských populací. Původní alela se vyskytuje s 92% frekvencí u Afričanů a jen v 8% u evropských populací.

13 Geografická distribuce pigmentace pokožky Glogerovo pravidlo: ve vlhkých oblastech používají živočichové raději odolný hnědý eumelanin než méně odolný a světlejší feomelanin. Platí pro člověka? Lidská pigmentace vykazuje velké rozdíly mezi hlavními geografickými oblastmi, ale i uvnitř populací, kde však nejsou rozdíly v pigmentaci tak markantní, respektive 88 % mezi oblastmi a až 9 % uvnitř populací. Lidé mající nejtmavší pleť se vyskytují okolo rovníku sub-saharská Afrika, jižní Asie, Melanésie a Austrálie. Naopak lidé s nejsvětlejší pletí se nacházejí v severní Evropě. Přibývající vzdálenost od rovníku směrem k pólům na obou polokoulích, vytváří gradient barvy pleti, jehož extrémy jsou, tmavě zbarvení lidé na rovníku a světlá barva pleti v oblastech okolo pólů. Tento gradient koreluje se zeměpisnou šířkou a UV zářením. UV záření není na obou polokoulích stejné, na jižní polokouli dopadá v průměru více UV záření než na severní polokouli ve srovnatelných zeměpisných šířkách. S rostoucí zeměpisnou šířkou klesá intenzita UV záření a tím i pigmentace za každých 10 stupňů zeměpisné šířky klesá u obyvatelů severní polokoule pigmentace o 8,2 % u mužů a o 8,1 % u žen. Na jižní polokouli je situace obdobná za každých 10 stupňů klesá pigmentace u mužů o 3,3 % a 4,7 % u žen

14 Evoluce pigmentace pokožky Nejstarší hominidé měli patrně světle zbarvenou nebo nepigmentovanou pokožku, pokrytou černou nebo tmavou srstí, podobnou té, jakou dnes můžeme pozorovat u šimpanzů. Vývojem efektivnějšího termoregulačního systému, v důsledku zvýšené aktivity a velmi teplého klimatu, došlo ke ztrátě ochlupení. Po ztrátě ochlupení se lidská pokožka tmavě pigmentovala jako adaptivní odpověď na vysoké hladiny UV záření v rovníkové oblasti. Tmavě pigmentovaná pokožka se v rodu Homo začala objevovat již během éry Homo erectus, přibližně jeden milion let před současností. Když ale následně naši předkové migrovali z Afriky, vyvinuly se u nich různé stupně depigmentace (zesvětlení pleti) tak aby byl umožněn dostatečný průnik UVB záření (ultrafialové záření typu B), které v kůži iniciuje syntézu vitaminu D, nezbytného pro lidský metabolismus. Lidská pigmentace je tedy výsledkem dvou protichůdných faktorů musí být dostatečně tmavá, aby ochránila spodní vrstvy kůže, ale také dostatečně světlá aby ještě mohla probíhat syntéza vitaminu D.

15 Evoluce pigmentace pokožky Adaptace na UV záření ochrana před volnými radikály a dalšími oxidanty Ochrana před fotolýzou folátů Syntéza vitamínu D Pohlavní výběr

16 Pigmentace Ztráta osrstění v průběhu evoluce roduvlasů Homo, patrně kvůli pocení změna systému termoregulace 90% obyvatel Země má tmavé vlasy Barvu vlasů ovlivňuje: věk, pohlaví, činnost endokrinních žláz, distribuce ochlupení v těle, genetika, živiny, vzácné kovy, růstové faktory,. Růst vlasu: Měsíčně vlas vyroste přibližně o jeden cm, ale záleží na genetických předpokladech, někomu tedy vlasy rostou pomaleji, jinému rychleji. Každý vlas prochází při růstu 3mi etapami: Anagenní fází, kdy aktivně roste. Anagenní fáze trvá po dobu od 2 do 4 let. Katagenní neboli přechodnou fází, kdy vlas přestane růst, ale v papile dál pokračuje buněčná aktivita. Katagenní fáze pouze asi dní. Telogenní neboli oddechovou fází, kdy růst úplně přestává, nedochází v papile k žádnému dalšímu růstu nebo aktivitě. Nakonec je starý vlas vytlačen novým a cyklus se znovu opakuje. Telogenní fáze dní. Melanin vzniká pouze ve vlasových cibulkách v anagenní fázi, odtud je distribuován do kůry, výjimečně do dřeně a kutikuly. Složení vlasu

17 Černé Pigmentace vlasů Nejčetnější, vysoké množství eumelaninu, původní barva Homo sapiens Největší zastoupení v Africe a Asii a u původního obyvatelstva Ameriky, v Evropě se vyskytují všude i v kombinaci se světlou pletí a modrýma očima. Hnědé Druhé nejčetnější, široká škála odstínů, vyšší obsah eumelaninu a nižší feomelaninu. Typické pro Kavkazskou rasu, Aboridžince a Melanésany. Odstíny jsou spojeny s různou distribucí dvou typů eumelaninu - tmavšího a světlejšího. Tmavý eumelanin je typický pro obyvatele země mimo Evropu, světlý je četný v Evropě Blond 2% celosvětové populace. Odstín záleží na poměru eumelaninu a feomelaninu. Nejvíce jsou rozšířeny v severní Evropě - Skandinávii, Velké Británii a Rusku, směrem na jih jejich výskyt klesá, v Africe se objevuje u Berberů a u potomků kolonizátorů, dále potom na Sibiři, potomci přistěhovalců Oceánie - Aboridžinci, Šalamounovy ostrovy, Fidži blond zejména v dětství, málokdy přetrvává do dospělosti. Zrzavé / červené vlasy 1-2% populace, asociace se světlou pletí, vysoký obsah feomalninu, recesivní mutace na 16. chromozomu v genu pro MC1R protein nebo gen HCL2 (též nazývaný RHC or RHA) na 4. chromozomu, Evropa - VB, Středomoří - Berberové, Židé Aškenázy Neandrtálci - také rezavé vlasy, mutace v MCR1, nebyla detekována u recentní populace. Rozložení blond vlasů v Evropě

18 Regulace pigmentace vlasů Zcela jiné faktory než u regulace pigmentace kůže zde je konstitutivní Pigmentace probíhá pouze v anagenní fázi, která trvá 3, ale výjimečně až 10 let u vlasů, ale jeden měsíc u obočí Každá vlasová cibulka je vysoce autonomní Produkce melaninu není závislá na UV záření Geny zodpovědné za barvu vlasů nejsou tak probádány jako u kůže Asociované geny: ASIP (Agouti) Herc2/Oca 2 HCL3 BRHC RHC

19 Evoluce pigmentace vlasů Stále není z větší míry objasněna evoluce variability barvy vlasů, tvaru vlasového vlákna a hustota vlasů Patrně významný vliv pohlavního výběru na blond vlasy, pozdní paleolit Termoregulace Neandrtálci - rezavé vlasy, mutace v MCR1, nebyla detekována u recentní populace

20 Pigmentace duhovky Barva očí bývá někdy chybně prezentována jako Mendelisticky děděný znak, avšak tomu tak není. Barva očí záleží na přítomnosti eumalaninu/feomelaninu, jejich poměru, distribuci a množství melaninu a melanozomů, věku, onemocnění. Oční kouli lze při pohledu zepředu rozdělit na bělmo, duhovku a pupilu Duhovka se skládá ze dvou vrstev tkáně: 1) Pigmentový epitel Složen z kvadratických pigmentových buněk, které se tvoří prenatálně. 2) Stroma Vnější vrstva, je složena převážně z volně uspořádané pojivové tkáně a fibroblastů. Pro určení barvy očí je hlavní faktore právě zde: U modrookých lidí je v této vrstvě malá koncentrace melanozomů a pigmentu. Dopadající světlo tudy prochází, krátké vlnové délky jsou odráženy bílkovinami duhovky a rozptylují modré světlo. Přítomnost většího množství feomelaninu způsobuje zelené oči, a různé poměry eu/feu nabízejí širokou škálu smíšených odstínů

21 Geny zapojené do pigmentace Mechanismus účinku genů není tak dobře prozkoumán jako u barvy kůže a vlasů invazivní vyšetření duhovky Nejsilnější asociace s genem OCA2 / HERC2 a to konkrétně polymorfismy rs a rs Dále asociace s geny ASIP (agouti, G8818A hnědé oči), MYO5A, TYRP1, AIM, DCT a TYR

22 Evoluce pigmentace duhovky Dosud není zcela vyjasněna evoluční výhoda světlých očí u člověka Tento znak vznikl cca. před lety ve východní Evropě Velkou roli hrál pohlavní výběr Predispozice k onemocněním: Oční melanom modroocí jedinci jsou mnohonásobně náchylnější, ale mají lepší prognózu léčby Šedý zákal vyšší výskyt u hnědookých lidí

23 Poruchy pigmentace Albinismus Porucha tvorby melaninu Geneticky recesívně podmíněná choroba Incidence: celosvětově 1:17 000, subsaharská Afrika 1:5000 Mutace v genech TYR, TRP, OCA3 Poškození zraku, náchylnost k rakovině kůže (jen 77% se dožije 30 let)

24 Deficience vitamínu D 315 nm) v kůži, obsažen v tučných rybách Tvořen UVB zářením (290 Ovlivňuje 5% genů genomu, vliv zejména na metabolismus vápníku a fosforu Deficience: Rachitis (Křivice) u dětí Osteomalacie u dospělých Problém imigrantů do severních zemí nesyntetizují dostatek vitamínu D

25 Fotopoškození folátů Foláty = Kyselina listová (vitamín B9) citlivé na UV! Koenzym transferáz, syntéza nukleotidů, metabolismus aminokyselin Zdroj: zelenina, ořechy, játra, kvasnice, vejce, luštěniny Deficience: anemie, deprese Vliv zejména v těhotenství potraty, poruchy vývoje neurální trubice

26 Rakovina kůže Nejzhoubnější je maligní melanom rakovina pigmentových buněk Celosvětový nárůst u bílé populace ČR: 18,4 mužů a 15,6 žen na obyvatel Kategorie let! 2. nejčastější rakovina u žen! Projevuje se neohraničeným znaménkem na trupu, zádech či bérci

27 Šedivění vlasů První projevy u mužů okolo 30, u žen o 5 let později Vysoká míra heritability v době projevu a míře šedivění Nejvíce šediví europoidní populace, poté Asiati a nejméně Afričané Ovlivněno také stresem, onemocněními, výživou, kouřením, atd. Snížená distribuční aktivita melanocytů a mizící zásoba kmenových buněk ve folikulech Gen IR F4 Transkripční faktor