Le face à face est la façon dont nous nous reconnaissons et communiquons le plus souvent entre nous. La reconnaissance des visages individuels n’est possible que parce que le visage humain est extrêmement variable. L’extrême ressemblance des visages des vrais jumeaux, qui héritent des mêmes versions de chaque gène de chacun de leurs parents et ont donc des génotypes identiques, montre que les différents traits du visage qui nous permettent de reconnaître les gens sont hérités. Cela signifie qu’ils sont principalement déterminés par les combinaisons particulières de variantes génétiques héritées de leurs parents. Par variante génétique, nous entendons une version d’un gène particulier qui diffère des autres versions du même gène à un endroit donné de l’ADN. Le fait que les traits du visage de vrais jumeaux élevés séparément soient aussi similaires entre eux que ceux élevés ensemble soutient fortement l’idée que les effets de l’environnement sur les traits du visage sont normalement très limités.
Les traits du visage, tels que la forme du nez, un menton fuyant ou la « lèvre de Habsbourg », sont souvent transmis dans les familles de génération en génération. Notre objectif était d’identifier les variantes génétiques spécifiques qui déterminent certains traits du visage. Notre succès pour y parvenir, ce qui n’a jamais été fait auparavant, a dépendu de l’utilisation de procédures statistiques compliquées pour analyser les images faciales de volontaires humains.
Notre point de départ était une grande collection d’images faciales en 3 dimensions prises avec une caméra commerciale de haute technologie. Ces images nous ont fourni, après quelques manipulations, une définition de chaque visage sous forme de 30 000 points sur la surface du visage, soit effectivement une carte tridimensionnelle du visage. Pour comparer les caractéristiques de différents visages, nous avons superposé toutes les images de visages les unes par rapport aux autres. Pour ce faire, nous avons d’abord superposé les images par rapport à un certain nombre de points de repère, comme le bout du nez ou les coins des yeux ou de la bouche. Cette procédure ressemble un peu à celle utilisée par Francis Galton, pionnier des études sur les visages et les jumeaux, il y a près de 150 ans, mais nous disposons aujourd’hui d’outils informatiques sophistiqués et de caméras de haute technologie qui améliorent énormément la mesure dans laquelle nous pouvons superposer toutes les images entre elles.
Nous avons utilisé des volontaires provenant de trois sources : a) 1832 volontaires uniques de notre étude très bien caractérisée People of the British Isles (PoBI), b) 1567 jumeaux uniques de la cohorte TwinsUK, un nombre à peu près égal de jumeaux identiques et non identiques, et c) 33 images d’Asiatiques de l’Est, principalement des Chinois.
Posséder les images faciales des jumeaux a permis notre prochaine étape importante dans l’analyse, à savoir l’identification des caractéristiques faciales qui sont susceptibles d’avoir une héritabilité élevée. Deux individus qui sont de vrais jumeaux ont le même ensemble de variantes génétiques (séquences d’ADN). Ce sont ces variantes qui déterminent les traits de leur visage et donnent lieu à des visages très similaires. Les traits du visage sont définis par des groupes associés de points sur le visage, un peu comme les collines et les vallées sur une
carte à 3 dimensions.
La position d’un point sur une image faciale d’un membre d’une paire de jumeaux identiques devrait être très similaire à la position du point correspondant sur l’image de l’autre jumeau. La mesure dans laquelle elle est différente sera une mesure des influences environnementales non génétiques sur la position de ce point sur le visage. En revanche, deux individus qui sont des jumeaux non identiques peuvent avoir des variantes génétiques différentes déterminant au moins certaines de leurs caractéristiques faciales. La position du même point sur une image du visage de l’un des individus jumeaux non identiques aura donc tendance à ne pas être aussi proche de la position du point correspondant sur une image de l’autre jumeau que s’il s’agissait de jumeaux identiques. La mesure dans laquelle les points sont plus éloignés pour les jumeaux non identiques que pour les jumeaux identiques est une mesure des influences génétiques sur ce point, que les généticiens appellent l’héritabilité. En utilisant d’autres procédures statistiques complexes, nous pouvons pondérer chaque point du visage par son héritabilité mesurée de cette façon.
L’effet de cette pondération peut être vu dans la figure 1, dans laquelle nous avons tracé les fréquences des points du profil du visage qui ont des héritabilités différentes. Le degré d’héritabilité pour une position donnée va de 1 si la mesure est toujours exactement la même chez les paires de jumeaux identiques mais différente chez les jumeaux non identiques, à 0 si les différences entre jumeaux identiques sont les mêmes que celles entre jumeaux non identiques, et sont donc effectivement toutes
non génétiques, principalement déterminées par l’environnement. Les colonnes rouges correspondent aux valeurs pondérées, les bleues aux valeurs originales et les violettes au chevauchement. Le profil rouge est clairement en moyenne plus élevé et beaucoup plus étroit que le bleu, ce qui montre l’effet bénéfique de la pondération.
Figure 1 : Comparaison des héritabilités de profil pour les valeurs originales par rapport aux valeurs pondérées par l’héritabilité.
Le défi suivant consiste à définir les caractéristiques faciales à utiliser pour l’analyse génétique, sur la base de groupes de points associés. Pour cela, nous utilisons les points pondérés par l’héritabilité en partant du principe que cela donnera une caractéristique globalement susceptible d’être plus héritable que celle obtenue en utilisant les points non pondérés. Les points pondérés ont été utilisés pour ce que les statisticiens appellent une ACP, c’est-à-dire une analyse en composantes principales. Il s’agit d’un moyen d’extraire des données les caractéristiques qui sont les plus variables. Chaque ACP, et il peut y en avoir jusqu’à 50 ou plus pour des données complexes comme les images faciales, est en soi une mesure d’une caractéristique faciale, analogue à la distance entre les yeux, mais qui combine effectivement diverses mesures basées sur un groupe de points en une seule valeur.
Jusqu’à présent, pour définir les caractéristiques faciales, nous n’avons pas utilisé d’informations génétiques spécifiques. Nous disposons d’informations génétiques basées sur l’ADN sur environ 500 000 variantes pour chacun des quelque 1500 individus de nos volontaires PoBI pour lesquels nous avons des images et pour un nombre similaire de volontaires TwinsUK avec des images. L’étape suivante a donc consisté à rechercher les variantes génétiques spécifiques qui s’associent de manière significative à nos caractéristiques faciales basées sur l’ACP.
Notre approche de l’analyse génétique est basée sur l’idée que les différences dans les caractéristiques faciales doivent être analysées comme des caractéristiques discrètes, identifiables individuellement, et non comme une mesure quantitative, comme la taille d’une personne. Nous ne pouvons pas reconnaître une personne uniquement par sa taille ou par une seule caractéristique quantitative du visage, comme la distance entre les yeux ou le rapport hauteur/largeur du visage. Nous traitons ce problème en nous concentrant sur les individus qui se situent dans les 10% supérieurs ou inférieurs extrêmes de chacune des valeurs données par l’ACP et en nous demandant s’ils partagent un ou plusieurs des 500 000 marqueurs génétiques plus que les individus qui ne se trouvent pas dans ces extrêmes. Nous avons utilisé les volontaires de People of the British Isles pour sélectionner des variantes génétiques candidates, parmi les 500 000 testées, en vue d’une analyse plus approfondie, sur la base de l’importance de la différence entre les extrêmes et les non extrêmes et de l’ampleur de cette différence. Nous avons ensuite demandé si l’un de ces effets candidats était reproduit chez les quelque 1500 volontaires de TwinsUK. De cette manière, nous avons identifié trois variantes génétiques spécifiques et répliquées avec des effets relativement importants, deux pour les caractéristiques des profils faciaux et une pour la région autour des yeux. Chacune de ces trois variantes a
un partenaire avec une séquence d’ADN différente à la même position critique, et dans chaque cas, la variante positivement associée a une fréquence de population PoBI d’environ 10%, le partenaire ayant la fréquence la plus élevée d’environ 90%. Nous appelons la variante associée a et son partenaire A, et ainsi, comme les gènes viennent par paires, il y a trois combinaisons de ces variantes, aa, Aa et AA.
La première de ces variantes, trouvée dans un gène appelé PCDH15, a augmenté la chance d’avoir les caractéristiques féminines montrées dans la figure 2C par un facteur de plus de 7 chez les femmes britanniques qui portaient les deux copies de la variante (aa), par rapport à celles qui n’avaient qu’une seule (Aa) ou aucune copie (AA) de la variante. Cette variante est également associée à des caractéristiques qui diffèrent entre les femmes volontaires du Royaume-Uni et celles d’Asie de l’Est. Notez l’extrémité retroussée du nez et de la lèvre supérieure et le menton fuyant dans la figure 2A, qui correspond à la moyenne des visages chinois, et dans la figure 2B, le groupe plus chinois des individus PoBI, et mettez cela en contraste avec la figure 2C. Le produit du gène PCDH15 se trouve dans les cellules olfactives et le cartilage du nez des souris en développement, ce qui est cohérent avec
un effet possible sur le nez de la variante que nous avons trouvée chez les humains.
La deuxième variante, dans le gène appelé MBTPS1, est associée à la différence de visage montrée dans la figure 3. Cette différence a été observée chez les femmes, et le sous-ensemble distinctif de visages portait les deux copies de la variante (aa). Dans ce cas, la variante génétique associée au phénotype extrême supérieur (figure 3A), est présente (vraisemblablement sous forme d’aa) chez le singe vert africain, le macaque et le babouin olive, tandis que son partenaire, la variante commune, est présente (vraisemblablement sous forme d’AA) chez l’orang-outan, le gorille, le chimpanzé et le ouistiti, ce qui suggère que cette différence de variante peut être associée aux différences de visage entre ces groupes de primates.
Le troisième variant, dans le gène appelé TMEM163, est associé chez les deux sexes à une différence au niveau des yeux, comme le montre la figure 4. Une version défectueuse de ce gène a un rôle potentiel dans une maladie appelée mucolipidose de type IV, une condition occasionnellement accompagnée d’anomalies faciales, particulièrement autour des paupières. Dans nos études, c’est le sous-ensemble d’individus portant les deux copies de la variante (aa) qui est associé à l’extrême supérieur, illustré à la figure 4A. Notez que la largeur et la hauteur des yeux (du bas du sourcil au haut de la paupière) sont toutes deux plus grandes dans l’extrême supérieur que dans l’extrême inférieur.
Figure 2 : Profil PC2 : Visages moyens, en utilisant les variables originales, pour 14 femmes d’Asie de l’Est (A) et les 10% supérieurs (plus asiatiques) (B) et les 10% inférieurs (plus européens) (C) extrêmes des femmes PoBI.
Chacune des trois variantes génétiques que nous avons pu associer à une caractéristique faciale spécifique augmente la chance d’avoir la caractéristique spécifique par
un facteur de plus de 7 chez les volontaires britanniques qui portent les deux copies (aa) de la variante, par rapport à ceux qui n’ont qu’une (Aa) ou aucune (AA) copie de la variante.
Figure 3 : Profil PC7 : Profils moyens des visages féminins, en utilisant les variables originales, pour les extrêmes supérieurs de 10% associés à la variante (A) et inférieurs de 10% (C) et la moyenne générale (B).
Figure 4 : yeux PC1 : Phénotypes oculaires moyens, en utilisant les variables originales, pour les 10 % supérieurs (A), les 10 % inférieurs (C) extrêmes et la moyenne générale (B).
Notre succès dans la recherche de ces variants génétiques dépend largement de notre capacité à identifier les caractéristiques faciales qui ont une héritabilité élevée sur la base des données des jumeaux, et du choix des extrêmes pour étudier les associations de variants génétiques. Il semble probable que de nombreux autres effets spécifiques et relativement importants des variantes génétiques sur les traits du visage humain seront découverts à l’avenir grâce à des approches telles que celles que nous avons décrites. Cela ouvre la voie à la démêlée des mécanismes moléculaires par lesquels les variants génétiques déterminent l’extraordinaire variabilité de l’apparence faciale humaine.