Az arcunkkal való találkozás az, ahogyan a legtöbbször felismerjük és kommunikálunk egymással. Az egyes arcok felismerése csak azért lehetséges, mert az emberi arc rendkívül változatos. Az egypetéjű ikrek – akik minden gén azonos változatát öröklik mindkét szülőjüktől, tehát azonos genotípussal rendelkeznek – rendkívüli archasonlósága azt mutatja, hogy a különböző arcvonások, amelyek alapján felismerjük az embereket, öröklődnek. Ez azt jelenti, hogy leginkább a genetikai variánsok szüleiktől örökölt sajátos kombinációi határozzák meg őket. Genetikai variáns alatt egy adott gén olyan változatát értjük, amely a DNS egy adott pozíciójában eltér ugyanannak a génnek a többi változatától. Az a tény, hogy a külön nevelt egypetéjű ikrek arcvonásai ugyanolyan hasonlóak egymáshoz, mint az együtt nevelteké, erősen alátámasztja azt a nézetet, hogy az arcvonásokra gyakorolt környezeti hatások általában nagyon korlátozottak.
Az arcvonások, mint például az orr alakja, a visszahúzódó áll vagy a “Habsburg-ajkak”, gyakran öröklődnek a családokban generációról generációra. Célunk az volt, hogy azonosítsuk azokat a specifikus genetikai variánsokat, amelyek meghatározzák az egyes arcvonásokat. Sikerünk, hogy ezt megtehessük, ami korábban még nem történt meg, azon múlott, hogy bonyolult statisztikai eljárásokat alkalmaztunk emberi önkéntesek arcképeinek elemzésére.
A kiindulópontunk egy nagyméretű, 3 dimenziós arcképgyűjtemény volt, amelyet egy csúcstechnológiás kereskedelmi kamerával készítettünk. Ezek a képek némi manipuláció után minden egyes arcot az arcfelszín 30 000 pontjaként definiáltak, ami gyakorlatilag az arc 3 dimenziós térképét jelentette. A különböző arcok jellemzőinek összehasonlításához az összes arcképet egymásra helyeztük. Ezt úgy végeztük el, hogy először a képeket néhány tájékozódási pont tekintetében, például az orr hegyénél, a szem vagy a száj sarkában lévő pontok tekintetében fedtük egymásra. Ez az eljárás nagyjából olyan, mint amit Francis Galton, az arcok és az ikrek tanulmányozásának úttörője használt közel 150 évvel ezelőtt, de ma már kifinomult számítógépes eszközökkel és csúcstechnológiás kamerákkal rendelkezünk, amelyekkel óriási mértékben javítható az összes kép egymásra helyezése.
Három forrásból származó önkénteseket használtunk fel: a) 1832 egyedi önkéntest a nagyon jól jellemzett People of the British Isles (PoBI) tanulmányunkból, b) 1567 egyedi ikert a TwinsUK kohorszból, körülbelül egyenlő számban egypetéjű és nem egypetéjű ikreket, és c) 33 képet kelet-ázsiaiakról, főként kínaiakról.
Az ikrek arcképeinek birtokában lehetővé vált az elemzés következő fontos lépése, nevezetesen azon arcvonások azonosítása, amelyek valószínűleg magas öröklődéssel rendelkeznek. Két egypetéjű ikerpár azonos genetikai variánsokkal (DNS-szekvenciákkal) rendelkezik. Ezek a variánsok határozzák meg az arcvonásaikat, és nagyon hasonló arcokat eredményeznek. Az arcvonásokat az arcon lévő pontok kapcsolódó csoportjai határozzák meg, inkább úgy, mint a hegyek és völgyek egy
3 dimenziós térképen.
Az egypetéjű ikerpár egyik tagjának arcképén lévő pont helyzetének nagyon hasonlónak kell lennie a másik ikerpár képén lévő megfelelő pont helyzetéhez. Az, hogy milyen mértékben tér el, az lesz a mérőszáma annak, hogy milyen nem genetikai környezeti hatások befolyásolják ennek a pontnak a helyzetét az arcon. Ezzel szemben két nem egypetéjű ikerpár esetében előfordulhat, hogy különböző genetikai variánsok határozzák meg legalább néhány arcvonásukat. Az egyik nem egypetéjű ikerpár arcképén ugyanannak a pontnak a helyzete ezért általában nem lesz olyan közel a másik ikerpár képén lévő megfelelő pont helyzetéhez, mintha egypetéjű ikrek lennének. Az, hogy a pontok mennyire távolabb vannak egymástól a nem egypetéjű ikrek esetében, mint az egypetéjű ikrek esetében, az erre a pontra gyakorolt genetikai hatások mérőszáma, amelyet a genetikusok örökletességnek neveznek. További összetett statisztikai eljárásokat alkalmazva az arc minden egyes pontját súlyozhatjuk az így mért öröklődőképességével.
A súlyozás hatása látható az 1. ábrán, amelyen az arcprofil különböző öröklődőképességű pontjainak gyakoriságát ábrázoltuk. Az öröklődőképesség mértéke egy adott pozícióra vonatkozóan 1-től, ha a mérés mindig pontosan megegyezik az egypetéjű ikerpárokban, de eltér
nem egypetéjű ikrekben, 0-ig terjed, ha az egypetéjű ikrek közötti különbségek megegyeznek a nem egypetéjű ikrek közötti különbségekkel, és így gyakorlatilag mind
nem genetikai, elsősorban környezeti meghatározottságú. A piros oszlopok a súlyozott értékeket, a kék az eredeti értékeket, a lila pedig az átfedést jelöli. A piros profil átlagosan egyértelműen magasabb és jóval keskenyebb, mint a kék, ami a súlyozás előnyös hatását mutatja.
1. ábra: A profil öröklődésének összehasonlítása az eredeti és az öröklődéssel súlyozott értékek esetében.
A következő kihívás a genetikai elemzéshez használandó arcvonások meghatározása a kapcsolódó pontok csoportjai alapján. Ehhez a heritabilitással súlyozott pontokat használjuk, feltételezve, hogy ez olyan jellemzőt ad, amely összességében valószínűleg jobban örökölhető, mint a súlyozatlan pontok használatával kapott. A súlyozott pontokat arra használtuk, amit a statisztikusok PCA-nak neveznek, ami a Principal Components Analysis (főkomponens-elemzés) rövidítése. Ez egy módja annak, hogy az adatokból kiemeljük a leginkább változó jellemzőket. Minden egyes PCA – és az olyan összetett adatok esetében, mint az arcképek – akár 50 vagy több is lehet – önmagában egy arcvonás mérőszáma, a szemek közötti távolsághoz hasonlóan, de amely gyakorlatilag a pontok egy csoportján alapuló különböző méréseket egyetlen értékké egyesíti.
Az arcvonások meghatározásakor eddig nem használtunk fel specifikus genetikai információkat. DNS-alapú genetikai információval rendelkezünk körülbelül 500 000 variánsról a PoBI önkénteseink mintegy 1500 egyedének mindegyikére vonatkozóan, akikről képekkel rendelkezünk, és hasonló számú, képekkel rendelkező TwinsUK önkéntesről. A következő lépés ezért az volt, hogy olyan specifikus genetikai variánsokat kerestünk, amelyek szignifikánsan összefüggnek a PCA-alapú arcvonásainkkal.
A genetikai elemzéssel kapcsolatos megközelítésünk azon az elképzelésen alapul, hogy az arcvonások különbségeit különálló, egyénileg azonosítható jellemzőkként kell elemezni, nem pedig mennyiségi mértékegységként, mint például egy személy magassága. Nem ismerhetünk fel egy személyt pusztán a magassága vagy egyetlen mennyiségi arcvonás alapján, mint például a szemek közötti távolság vagy az arc magassága és szélessége közötti arány. Ezt úgy kezeljük, hogy azokra az egyénekre összpontosítunk, akik a PCA által megadott értékek mindegyikének szélsőséges felső vagy alsó 10%-ában vannak, és megkérdezzük, hogy az 500 000 genetikai marker bármelyikével többet osztoznak-e, mint azok az egyének, akik nincsenek ezekben a szélsőségekben. A People of the British Isles önkénteseit arra használtuk, hogy az 500 000 vizsgált génvariáns közül a szélsőségesek és a nem szélsőségesek közötti különbség szignifikanciája és nagysága alapján válasszuk ki a további elemzésre jelölt génvariánsokat. Ezután megkérdeztük, hogy e jelölt hatások közül bármelyik megismétlődik-e a mintegy 1500 TwinsUK önkéntesnél. Ily módon három specifikus és megismételt, viszonylag nagy hatású genetikai variánst azonosítottunk, kettőt az arcprofil jellemzőire, egyet pedig a szem körüli régióra vonatkozóan. E három variáns mindegyikének van
egy partnere, amelynek ugyanabban a kritikus pozícióban más DNS-szekvenciája van, és minden esetben a pozitívan kapcsolódó variáns PoBI populációs gyakorisága körülbelül 10%, míg a partneré a magasabb, körülbelül 90%-os gyakorisággal rendelkezik. A társult variánst a-nak, partnerét pedig A-nak nevezzük, és mivel a gének párban vannak, e variánsoknak három kombinációja létezik: aa, Aa és AA.
A PCDH15 nevű génben található első ilyen variáns több mint 7-szeresére növelte a 2C ábrán látható női tulajdonságok előfordulásának esélyét azoknál a brit nőknél, akik a variáns mindkét példányát (aa) hordozták, szemben azokkal, akiknek csak az egyik (Aa) vagy egyetlen példánya (AA) sem volt a variánsból. Ez a variáns olyan jellemzőkkel is összefügg, amelyek különböznek az egyesült királyságbeli és a kelet-ázsiai önkéntes nők között. Figyeljük meg az orr és a felső ajak felhúzott végét és a visszahúzott állat a 2A ábrán, amely a kínai arcok átlagát mutatja, és a 2B ábrán a PoBI egyének kínaibb csoportját, és ezt állítsuk szembe a 2C ábrával. A PCDH15 gén terméke megtalálható a fejlődő egerek orrának szaglósejtjeiben és porcaiban, ami összhangban van
az emberekben talált variánsnak az orrra gyakorolt lehetséges hatásával.
A második variáns, az MBTPS1 nevű génben, összefügg a 3. ábrán látható arckülönbséggel. Ezt a különbséget nőknél figyeltük meg, és az arcok jellegzetes alcsoportja a variáns mindkét példányát hordozta (aa). Ebben az esetben a felső szélsőséges fenotípussal társított genetikai variáns (3A. ábra) jelen van (feltehetően aa-ként) az afrikai zöld majomban, a makákóban és az olajpáviánban, míg társa, a közös variáns (feltehetően AA-ként) az orangutánban, a gorillában, a csimpánzban és a mamuszban, ami arra utal, hogy ez a variánskülönbség összefüggésbe hozható az e főemlőscsoportok közötti arckülönbségekkel.
A harmadik variáns, a TMEM163 nevű génben, mindkét nemnél összefüggésbe hozható a szemek különbségével, amint az a 4. ábrán látható. E gén hibás változata potenciális szerepet játszik a IV. típusú mucolipidózis nevű betegségben, amely állapotot alkalmanként az arc rendellenességei kísérik, különösen a szemhéjak körül. Vizsgálatainkban a variáns (aa) mindkét kópiáját hordozó egyének azon alcsoportja az, amely a 4A ábrán látható felső szélsőséggel társul. Vegyük észre, hogy a szemszélesség és a szemmagasság (a szemöldök aljától a szemhéj tetejéig) egyaránt nagyobb a felső szélsőségben, mint az alsó szélsőségben.
2. ábra: PC2 profil: Átlagos arcok, az eredeti változók felhasználásával, 14 kelet-ázsiai nő esetében (A) és a PoBI nők felső 10%-ának (inkább kelet-ázsiai) (B) és alsó 10%-ának (inkább európai) (C) szélső értékei.
A három genetikai variáns mindegyike, amelyet egy adott arcvonással tudtunk kapcsolatba hozni, több mint 7-szeresére
növeli az adott arcvonás meglétének esélyét azoknál a brit önkénteseknél, akik a variáns mindkét példányát (aa) hordozzák, azokhoz képest, akiknek csak az egyik (Aa) vagy egyetlen példánya (AA) sincs a variánsból.
3. ábra: PC7 profil: Női arcok átlagos profiljai az eredeti változók felhasználásával a variánshoz kapcsolódó felső 10%-os (A) és alsó 10%-os (C) szélsőértékek és a teljes átlag (B) esetében.
4. ábra: PC1 szemek: Átlagos szemfenotípusok, az eredeti változók felhasználásával, a felső 10% (A), az alsó 10% (C) szélsőértékek és a teljes átlag (B) esetében.
A genetikai variánsok megtalálásának sikere nagyban függ attól, hogy az ikeradatok alapján képesek vagyunk-e azonosítani a magas örökölhetőségű arcvonásokat, valamint attól, hogy milyen szélsőértékeket választunk a genetikai variánsok összefüggéseinek vizsgálatához. Valószínűnek tűnik, hogy az általunk leírtakhoz hasonló megközelítésekkel a jövőben még sok specifikusabb és viszonylag nagymértékű genetikai variánshatást találunk az emberi arcvonásokra. Ez megnyitja az utat azon molekuláris mechanizmusok feltárása felé, amelyek révén a genetikai variánsok meghatározzák az emberi arc megjelenésének rendkívüli változékonyságát.