Face to face este modul în care ne recunoaștem și comunicăm unii cu alții. Recunoașterea fețelor individuale este posibilă doar pentru că fața umană este extrem de variabilă. Asemănarea facială extremă a gemenilor identici, care moștenesc aceleași versiuni ale fiecărei gene de la fiecare dintre părinții lor și, prin urmare, au genotipuri identice, arată că diferitele trăsături faciale după care recunoaștem oamenii sunt moștenite. Acest lucru înseamnă că acestea sunt determinate în cea mai mare parte de combinațiile particulare de variante genetice moștenite de la părinții lor. Prin variantă genetică înțelegem o versiune a unei anumite gene care diferă de alte versiuni ale aceleiași gene într-o anumită poziție din ADN. Faptul că trăsăturile faciale ale gemenilor identici crescuți separat sunt la fel de asemănătoare între ele ca și cele ale celor crescuți împreună susține cu tărie opinia că efectele mediului asupra trăsăturilor faciale sunt, în mod normal, foarte limitate.
Caracteristicile faciale, cum ar fi forma nasului, o bărbie retrasă sau „buza de Habsburg”, sunt adesea transmise în familii din generație în generație. Scopul nostru a fost de a identifica variantele genetice specifice care determină anumite trăsături faciale. Succesul nostru în a putea face acest lucru, care nu a mai fost realizat până acum, a depins de utilizarea unor proceduri statistice complicate pentru a analiza imagini faciale ale unor voluntari umani.
Punctul nostru de plecare a fost o colecție mare de imagini faciale tridimensionale realizate cu o cameră comercială de înaltă tehnologie. Aceste imagini ne-au oferit, după unele manipulări, o definiție a fiecărei fețe ca 30.000 de puncte pe suprafața feței, efectiv o hartă tridimensională a feței. Pentru a compara trăsăturile de pe diferite fețe, am suprapus toate imaginile fețelor una față de cealaltă. Acest lucru se face suprapunând mai întâi imaginile în raport cu un număr de puncte de reper, cum ar fi în vârful nasului sau în colțurile ochilor sau ale gurii. Această procedură seamănă mai degrabă cu cea folosită de Francis Galton, un pionier al studiilor asupra fețelor și a gemenilor, cu aproape 150 de ani în urmă, dar acum dispunem de instrumente informatice sofisticate și de camere de înaltă tehnologie care îmbunătățesc enorm măsura în care putem suprapune toate imaginile una peste alta.
Am folosit voluntari din trei surse: a) 1832 de voluntari unici din studiul nostru foarte bine caracterizat People of the British Isles (PoBI), b) 1567 de gemeni unici din cohorta TwinsUK, un număr aproximativ egal de gemeni identici și neidentici, și c) 33 de imagini ale unor asiatici din est, în principal chinezi.
Dispunând de imaginile faciale ale gemenilor, am putut parcurge următorul pas important al analizei, și anume să identificăm trăsăturile faciale care sunt susceptibile de a avea o heritabilitate ridicată. Doi indivizi care sunt gemeni identici au același set de variante genetice (secvențe ADN). Aceste variante sunt cele care determină trăsăturile lor faciale și au ca rezultat fețe foarte asemănătoare. Trăsăturile faciale sunt definite de grupuri asociate de puncte de pe față, mai degrabă ca dealurile și văile de pe o hartă
3-dimensională.
Poziția unui punct de pe o imagine facială a unui membru al unei perechi de gemeni identici ar trebui să fie foarte asemănătoare cu poziția punctului corespunzător de pe imaginea celuilalt geamăn. Măsura în care este diferită va fi o măsură a influențelor non-genetice ale mediului asupra poziției acestui punct de pe față. În schimb, doi indivizi care nu sunt gemeni identici pot avea variante genetice diferite care determină cel puțin unele dintre trăsăturile lor faciale. Prin urmare, poziția aceluiași punct pe o imagine facială a unuia dintre gemenii neidentici va tinde să nu fie la fel de apropiată de poziția punctului corespunzător pe o imagine a celuilalt geamăn decât dacă ar fi gemeni identici. Măsura în care punctele sunt mai depărtate în cazul gemenilor neidentici decât în cazul gemenilor identici este o măsură a influențelor genetice asupra acestui punct, pe care geneticienii o numesc heritabilitate. Utilizând proceduri statistice complexe suplimentare, putem pondera fiecare punct de pe față în funcție de heritabilitatea sa măsurată în acest mod.
Efectul acestei ponderări poate fi observat în figura 1, în care am trasat frecvențele punctelor de pe profilul facial care au heritabilități diferite. Gradul de heritabilitate pentru orice poziție dată variază de la 1, dacă măsurarea este întotdeauna exact aceeași la perechile de gemeni identici, dar diferită la
gemenii non-identici, până la 0, dacă diferențele dintre gemenii identici sunt identice cu cele dintre gemenii non-identici, deci sunt efectiv toate
non-genetice, determinate în principal de mediu. Coloanele roșii sunt pentru valorile ponderate, cele albastre pentru valorile originale și cele mov pentru suprapunere. Profilul roșu este în mod clar, în medie, mai înalt și mult mai îngust decât cel albastru, arătând efectul benefic al ponderării.
Figura 1: Comparația heritabilităților profilului pentru valorile originale față de valorile ponderate ale heritabilității.
Următoarea provocare este definirea trăsăturilor faciale care vor fi folosite pentru analiza genetică, pe baza grupurilor de puncte asociate. Pentru aceasta, folosim punctele ponderate în funcție de heritabilitate, pornind de la ipoteza că acest lucru va da o trăsătură care, în general, este probabil să fie mai ereditară decât cea obținută cu ajutorul punctelor neponderate. Punctele ponderate au fost utilizate pentru ceea ce statisticienii numesc PCA, adică analiza componentelor principale. Aceasta este o modalitate de a extrage din date caracteristicile care sunt cele mai variabile. Fiecare PCA, și pot exista până la 50 sau mai multe pentru date complexe, cum ar fi imaginile faciale, este în sine o măsură a unei trăsături faciale, analogă cu distanța dintre ochi, dar care combină efectiv diverse măsurători bazate pe un grup de puncte într-o singură valoare.
Până acum, în definirea trăsăturilor faciale nu am folosit informații genetice specifice. Avem informații genetice bazate pe ADN cu privire la aproximativ 500.000 de variante pentru fiecare dintre cei aproximativ 1500 de indivizi de la voluntarii noștri PoBI pentru care avem imagini și pentru un număr similar de voluntari TwinsUK cu imagini. Următorul pas a fost, prin urmare, să căutăm variante genetice specifice care se asociază în mod semnificativ cu trăsăturile noastre faciale bazate pe PCA.
Abordarea noastră la analiza genetică se bazează pe ideea că diferențele dintre trăsăturile faciale ar trebui să fie analizate ca caracteristici discrete, identificabile individual, nu ca o măsură cantitativă, cum ar fi înălțimea unei persoane. Nu putem recunoaște o persoană doar după înălțimea sa sau după o singură trăsătură facială cantitativă, cum ar fi distanța dintre ochi sau raportul dintre înălțimea și lățimea feței. Ne ocupăm de acest aspect concentrându-ne asupra acelor indivizi care se află în extrema superioară sau inferioară a celor 10% din fiecare dintre valorile date de PCA și întrebând dacă aceștia împărtășesc unul sau mai mulți dintre cei 500.000 de markeri genetici mai mult decât indivizii care nu se află în aceste extreme. Am folosit voluntarii People of the British Isles pentru a alege variantele genetice candidate, din cele 500.000 testate, pentru o analiză ulterioară bazată pe semnificația diferenței dintre extremele și non-extremele și pe amploarea acestei diferențe. Apoi am întrebat dacă vreunul dintre aceste efecte candidate a fost reprodus la cei aproximativ 1500 de voluntari TwinsUK. În acest fel, am identificat trei variante genetice specifice și replicate cu efecte relativ mari, două pentru caracteristici ale profilului facial și una pentru regiunea din jurul ochilor. Fiecare dintre aceste trei variante are
un partener cu o secvență ADN diferită în aceeași poziție critică și, în fiecare caz, varianta asociată pozitiv are o frecvență în populație PoBI de aproximativ 10%, partenerul având o frecvență mai mare de aproximativ 90%. Numim varianta asociată a și partenerul său A, și astfel, deoarece genele vin în perechi, există trei combinații ale acestor variante, aa, Aa și AA.
Prima dintre aceste variante, care se găsește într-o genă numită PCDH15, a crescut șansa de a avea trăsăturile feminine prezentate în figura 2C cu un factor de peste 7 la acele femei din Marea Britanie care au purtat ambele copii ale variantei (aa), în comparație cu cele care au avut doar una (Aa) sau nicio copie (AA) a variantei. Această variantă este, de asemenea, asociată cu trăsături care diferă între femeile voluntare din Marea Britanie și cele din Asia de Est. Observați capătul ridicat al nasului și al buzei superioare și bărbia retrasă în Figura 2A, care reprezintă media fețelor chinezești, și în Figura 2B, grupul mai chinezesc al indivizilor PoBI, și contrastați acest lucru cu Figura 2C. Produsul genei PCDH15 se găsește în celulele olfactive și în cartilajul nasului șoarecilor în curs de dezvoltare, ceea ce este în concordanță cu
un posibil efect asupra nasului al variantei pe care am găsit-o la oameni.
Cea de-a doua variantă, în gena numită MBTPS1, este asociată cu diferența de față prezentată în figura 3. Această diferență a fost observată la femele, iar subsetul distinctiv de fețe purta ambele copii ale variantei (aa). În acest caz, varianta genetică asociată cu fenotipul extrem superior (Figura 3A), este prezentă (probabil ca aa) la maimuța verde africană, macac și babuinul măsliniu, în timp ce partenerul său, varianta comună, este prezentă (probabil ca AA) la urangutan, gorilă, cimpanzeu și maimuță, sugerând că această diferență de variantă poate fi asociată cu diferențele de față dintre aceste grupuri de primate.
Cea de-a treia variantă, în gena numită TMEM163, este asociată la ambele sexe cu o diferență la nivelul ochilor, așa cum se arată în figura 4. O versiune defectuoasă a acestei gene are un rol potențial într-o boală numită mucolipidoză de tip IV, o afecțiune însoțită ocazional de anomalii faciale, în special în jurul pleoapelor. În studiile noastre, subgrupul de indivizi care poartă ambele copii ale variantei (aa) este cel care este asociat cu extrema superioară, prezentată în figura 4A. Rețineți că lățimea ochiului și înălțimea ochiului (de la partea inferioară a sprâncenei până la partea superioară a pleoapei) sunt ambele mai mari la extrema superioară decât la extrema inferioară.
Figura 2: Profilul PC2: Chipuri medii, folosind variabilele originale, pentru 14 femei din Asia de Est (A) și extremele superioare de 10% (mai mult din Asia de Est) (B) și inferioare de 10% (mai mult din Europa) (C) ale femeilor PoBI.
Care dintre cele trei variante genetice pe care am reușit să le asociem cu o trăsătură facială specifică crește șansele de a avea trăsătura specifică cu
un factor de peste 7 la acei voluntari din Marea Britanie care sunt purtători ai ambelor copii (aa) ale variantei, în comparație cu cei care au doar una (Aa) sau nicio copie (AA) a variantei.
Figura 3: Profilul PC7: Profilurile medii ale fețelor feminine, folosind variabilele originale, pentru extremele superioare asociate variantei de 10% (A) și inferioare de 10% (C) și media generală (B).
Figura 4: Ochii PC1: Fenotipurile medii ale ochilor, folosind variabilele originale, pentru extremele superioare de 10% (A), cele inferioare de 10% (C) și media generală (B).
Succesul nostru în găsirea acestor variante genetice depinde în mare măsură de capacitatea noastră de a identifica trăsăturile faciale care au o heritabilitate ridicată pe baza datelor gemenilor și de alegerea extremelor pentru studierea asociațiilor variantelor genetice. Pare probabil că, în viitor, vor fi descoperite multe alte efecte specifice și relativ mari ale variantelor genetice asupra trăsăturilor faciale umane, folosind abordări precum cele pe care le-am descris. Acest lucru deschide calea spre deslușirea mecanismelor moleculare prin care variantele genetice determină variabilitatea extraordinară a aspectului facial uman.