紅髮、金髮、黑髮,頭髮顏色怎麼受基因影響?

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頭髮顏色是人與人之間,外貌上最明顯的差異之一。許多基因都會影響頭髮的顏色,最近發表的論文報告,在基因組上找到 200 多處遺傳變異與髮色相關,不過除了導致紅髮的 MC1R 以外,其他基因的影響力都不是太大。[1][2]

參與色素生成的 MC1R 基因

不論現實世界或虛構人物,像是歷史上初到東亞的荷蘭人、《灌籃高手》的櫻木花道、《銀河英雄傳說》的吉爾菲艾斯、《聖經》的耶洗別(Jezebel),都以鮮明的紅髮特色為人矚目。過去研究發現,與紅色頭髮關係最密切的基因是 MC1R

MC1R 如何影響頭髮顏色?此一基因的蛋白質產物屬於「G蛋白偶聯受器(G Pprotein-coupled receptor)」,表現部位是皮膚表面,以及毛髮中的黑素細胞(melanocyte)。MC1R 參與的細胞訊號傳遞路徑,會導致細胞合成深色的色素「真黑素(eumelanin )」。在多種哺乳動物中,若是失去 MC1R訊號傳遞,黑素細胞將無法生產真黑素,而改為合成紅色或黃色的「褐黑素(pheomelanin)」。

不過影響人類頭髮紅色與否,不只 MC1R 基因一個因素;除了紅髮以外,人類頭髮還有很多種顏色,或許同時受到許多基因影響。探討這類遺傳變異與外貌特徵之間關係的問題,最近英國建構的遺傳資料庫「UK Biobank」,不但樣本眾多,而且有著詳細的資訊記錄,成為合適的研究材料。

導致紅髮的基因與影響力

為了尋找影響髮色的基因,研究團隊一共選擇資料庫中 343234 位英國人納入分析;至於頭髮顏色,則來自每個人的自我申報。約 34 萬位研究對象中,紅髮佔的比例不高,女生是 5.2%,男生是 3.8%,平均為 4.6%。(資料庫取樣中女生比男生更多 2.5 萬人)

研究者採用簡稱為 GWAS,也就是近來流行的「全基因組關聯分析(Genome-wide association study)」,發現基因組上與紅髮關係最明顯的位置,位於第 16 號染色體,毫不意外地正是 MC1R 基因所在的區域一帶。

然而,假如只考慮 MC1R 一個基因在不同受測者間的 DNA 變異,大概只能解釋紅髮 73% 的遺傳度(heritability)。也就是說,的確有些人的 MC1R 基因變異版本與紅髮高度相關,或許可稱之為「紅髮版 MC1R」,卻也有人配備紅髮版的基因,可是髮色仍是淡棕或金髮。顯然除了 MC1R以外,還有其他遺傳變異也影響一個人是否會是紅髮。

這次分析中,研究者也在基因組上其他位置,找到與紅髮相關的 DNA 變異,不過這些變異的影響力,當然都遠遠不如 MC1R。考慮所有已知的變異一起計算,能解釋的紅髮遺傳度將上升到 90%。

從金髮到黑髮,受眾多基因微幅影響

除了比例不高的紅髮者以外,資料庫中大部分人的髮色介於黑色到金色之間,可以視為由深到淺色的一條光譜,分為 4 種:黑色(女 1.5%、男 7.4%、平均 4.2%)、深棕色(女 37.2%、男 37.2%、平均 37.2%)、淺棕色(女 42.5%、男 40.0%、平均 41.1%)、金色(女 12.7%、男 10.0%、平均 11.5%)。研究團隊將這 4 種髮色一起分析。(仍有 1.4% 的人不屬於上述 5 種髮色)

整體看來,一共偵測到大約 200 處的遺傳變異,與黑、棕、金髮色有關,不過每一處變異的影響程度似乎都不是很大。至少這批 DNA 差異中,沒有一個對髮色的影響力,有到 MC1R對紅髮與否那麼強烈。根據這些新找到的 DNA 變異,金髮的遺傳度大概能解釋 73%,棕髮則是 47%。

許多影響髮色的遺傳變異,並不會改變基因轉譯後的蛋白質序列,因此應該是透過改變基因調控的方式,比方說基因表現量的增減,或是基因作用時機的變化,來影響髮色。

至於影響髮色的細胞種類,目前已知至少有 3 種細胞牽涉其中,除了合成色素的黑素細胞之外,還有角質細胞(keratinocyte)與纖維母細胞(fibroblast)。

相當有意思的是,頭髮呈現什麼顏色與色素有關,但是會影響髮色的基因不一定如 MC1R般,是直接影響細胞的色素製造,也有些基因的作用,是改變頭髮的生長方式,或是影響頭髮的質地(texture)。

也值得一提的是,UK Biobank 成立至今,已經嘉慧了世界各地眾多研究者,完成不少品質優秀的論文。好的資料庫,真的對科學研究幫助很大![3][4]

文/寒波

延伸閱讀:分析5.58億年前膽固醇,追尋最古老的埃迪卡拉紀動物

參考文獻:
1. Morgan, M. D., Pairo-Castineira, E., Rawlik, K., Canela-Xandri, O., Rees, J., Sims, D., … & Jackson, I. J. (2018). Genome-wide study of hair colour in UK Biobank explains most of the SNP heritability. Nature communications, 9(1), 5271.
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07691-z
2. Hair colour gene study sheds new light on roots of redheads’ locks
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-12/uoe-hcg121018.php?
3. 滅亡萬年的尼安德塔人,他們的DNA對現代人有哪些影響?
http://neanderthaldna.pixnet.net/blog/post/219211197
4. 造血幹細胞的遺傳變異,與血癌有什麼關係?
https://geneonline.news/index.php/2018/08/15/blood-forming-stem-cells-and-blood-cancer/