Сотни генетических локусов влияют на строение лица человека

Человеческое лицо — пример сложной морфологической структуры с высокой вариабельностью. Формируется эта структура в результате взаимодействия генетических, клеточных факторов и окружающей среды. Как и со всеми сложными морфологическими структурами, поиск генетических причин, вызывающих изменения в строении лица, ограничен способностью описать его строение, идентифицировать генетические варианты, приводящие к небольшим или крупным изменениям, и найти взаимодействия между этими вариантами.

Авторы исследования, опубликованного в Nature Genetics, разработали свой подход к фенотипированию лица и уже успешно его применяли ранее. Один из ведущих авторов, Марк Шрайвер из университета Пенсильвании, вместе с коллегами еще в начале 2000-х годов предложил методику применения генеалогически информативных маркеров (ancestry informative markers, AIM — аутосомных маркеров, характерных для тех или иных этнических групп). Методика позволяла определять базовые этнические признаки человека, которому принадлежит образец ДНК, и сразу нашла применение в криминалистике. В последние годы группа Шрайвера, как и другие научные группы по всему миру, работает над решением амбициозной задачи — установлением связей между генетическими характеристиками человека и чертами лица. Однако в интервью они всегда подчеркивают, что это долгий путь.

В данной работе участвовали 8 246 жителей Великобритании и США европейского происхождения. Сначала исследователи производили 3D-сканирование поверхности лица. На сканы накладывали плотную сетку с 7 160 вершинами. Потом сканы разбивали на 63 сегмента, объединяя сильно коррелирующие вершины. Сегменты анализировали и выделяли главные компоненты, от 7 до 70 на сегмент.

После этого искали генетические ассоциации между главными компонентами строения лица и 7 417 619 SNP. Главные компоненты объединяли в «черты» так, чтобы они максимально коррелировали с изучаемыми SNP. Корреляцию сначала находили в когорте для идентификации, а затем проверяли на когорте для верификации. Связь SNP и черт проверяли на значимость с помощью метаанализов.

Полногеномный поиск ассоциаций и метаанализ позволили идентифицировать 203 SNP, которые продемонстрировали существенное влияние на черты лица. Гены, окружающие эти SNP, в основном связаны с черепно-лицевой структурой и общим морфологическим строением индивида, в частности, строением конечностей, а также с развитием заячьей губы. Многие из этих генов принадлежат к сигнальным путям Wnt, Hedgehog и TGFβ. Окружение найденных SNP обогащено энхансерами, которые работают в клетках краниального нервного гребня, зародышевых и взрослых остеобластах и хондроцитах, полученных из мезенхимальных стволовых клеток. Это подтверждает, что данные участки могут играть роль в индивидуальном развитии человека.

Как отмечают авторы статьи, люди с лицевыми деформациями иногда имеют и другие физические проблемы, и полученные данные помогают понять причины.

Пятьдесят три из найденных SNP находились в локусах, которые ранее не были описаны как влияющие на морфологическое развитие лица или связанные заболевания. Многие локусы содержат несколько SNP, влияющие на различные черты лица. Так, варианты в области, содержащей гены TBX15 и WARS2, ранее были привязаны к выступу на лбу и ямочкам на подбородке; текущее исследование также привязало важный SNP в этой области к особенностям лба. В том же локусе были обнаружены еще три SNP: один был связан с морфологией лица в целом, другой — с областью щеки и углов рта, третий - с верхней частью щек.

В целом исследователи отметили, что их результаты отражают закономерности известных биологических процессов. Например, корреляции между различными сегментами лица, по-видимому, отражают их общее эмбриологическое происхождение.

Инструменты, разработанные для этого исследования, помогут в будущем понять и описать развитие других сложных морфологических структур. Понимание генетических механизмов нормального развития лица, а также причин аномалий очень важно как с фундаментальной, так и с медицинской точки зрения. По словам одного из первых авторов статьи, Джулии Уайт из университета Пенсильвании, «лицо рассказывает миру о вашей идентичности, о ваших родственных связях, о том, откуда пришли ваши предки, и даже о вашем здоровье».