Lighter variations of pigmentation in humans are associated with diminished number, size, and density of melanosomes, the pigmented organelles of melanocytes. Here we show that zebrafish golden mutants share these melanosomal changes and that golden encodes a putative cation exchanger slc24a5 (nckx5) that localizes to an intracellular membrane, likely the melanosome or its precursor. The human ortholog is highly similar in sequence and functional in zebrafish. The evolutionarily conserved ancestral allele of a human coding polymorphism predominates in African and East Asian populations. In contrast, the variant allele is nearly fixed in European populations, is associated with a substantial reduction in regional heterozygosity, and correlates with lighter skin pigmentation in admixed populations, suggesting a key role for the SLC24A5 gene in human pigmentation.

Human skin pigmentation shows a strong positive correlation with ultraviolet radiation intensity, suggesting that variation in skin color is, at least partially, due to adaptation via natural selection. We investigated the evolution of pigmentation variation by testing for the presence of positive directional selection in 6 pigmentation genes using an empirical F(ST) approach, through an examination of global diversity patterns of these genes in the Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH)-Diversity Panel, and by exploring signatures of selection in data from the International HapMap project. Additionally, we demonstrated a role for MATP in determining normal skin pigmentation variation using admixture mapping methods. Taken together (with the results of previous admixture mapping studies), these results point to the importance of several genes in shaping the pigmentation phenotype and a complex evolutionary history involving strong selection. Polymorphisms in 2 genes, ASIP and OCA2, may play a shared role in shaping light and dark pigmentation across the globe, whereas SLC24A5, MATP, and TYR have a predominant role in the evolution of light skin in Europeans but not in East Asians. These findings support a case for the recent convergent evolution of a lighter pigmentation phenotype in Europeans and East Asians.

Abstract Pleiotropy caused by single-gene mutations is common and poorly understood. A zebrafish null mutant of DNA polymerase α subunit B, huli hutu ( hht) , evolves a complex pleiotropy associated with DNA damage and S phase arrest across multiple organ systems over 5-7 days, including nuclear atypia, a common cellular feature in human cancers and pre-cancers, in gastrointestinal organs, and nuclear fragmentation in the eye and brain. The pleiotropic pattern of hht phenotypes is explained by progressive loss of wild-type maternal pola2 function in homozygous mutant embryos whose pola2 mRNA becomes undetectable by 24 hours post-fertilization (hpf). Inhibition of DNA synthesis by aphidicolin or hydroxyurea in wild-type embryos from 24 hpf phenocopied the pleiotropic pattern of hht . These results are consistent with a model in which time-sensitive, reduced capacity for DNA synthesis results in cell death in fast-replicating cells, and nuclear atypia in tissues with fewer and larger cells.

Histological studies providing cellular insights into tissue architecture have been central to biological discovery and remain clinically invaluable today. Extending histology to three dimensions would be transformational for research and diagnostics. However, three-dimensional histology is impractical using current techniques. We have customized sample preparation, synchrotron X-ray tomographic parameters, and three-dimensional image analysis to allow for complete histological phenotyping using whole larval and juvenile zebrafish. The resulting digital zebrafish can be virtually sectioned and visualized in any plane. Whole-animal reconstructions at subcellular resolution also enable computational characterization of the zebrafish nervous system by region-specific detection of cell nuclei and quantitative assessment of individual phenotypic variation. Three-dimensional histological phenotyping has potential use in genetic and chemical screens, and in clinical and toxicological tissue diagnostics.

Abstract Melanin-rich zebrafish melanophores are used to study pigment development, human skin color, and as a large-scale screening phenotype. To facilitate more detailed whole-body, computational analyses of melanin content and morphology, we have combined X-ray microtomography (micro-CT), a non-destructive, full-volume imaging modality, with a novel application of ionic silver staining to characterize melanin distribution in whole zebrafish larvae. Normalized micro-CT reconstructions of silver-stained fish consistently reproduced pigment patterns seen by light microscopy, and allowed direct quantitative comparisons of melanin content across wild-type and mutant samples, for both dramatic and subtle phenotypes not previously described. Silver staining of melanin for micro-CT provides proof-of-principle for whole-body, three-dimensional computational phenomic analysis of a particular cell type at cellular resolution, with potential applications in other model organisms and human melanoma biopsies. Whole-organism, high-resolution phenotyping is a challenging ideal, but provides superior context for functional studies of mutations, diseases, and environmental influences.

Abstract Our interest in the genetic basis of skin color variation between populations led us to seek a Native American population with African admixture but low frequency of European light skin alleles. Analysis of 458 genomes from individuals residing in the Kalinago territory of the Commonwealth of Dominica showed approximately 55% Native American, 32% African, and 12% European ancestry, the highest Native American ancestry among Caribbean populations to date. Skin pigmentation ranged from 20 to 80 melanin units, averaging 46. Three albino individuals were determined to be homozygous for a causative multi-nucleotide polymorphism OCA2 NW273KV contained within a haplotype of African origin; its allele frequency was 0.03 and single allele effect size was -8 melanin units. Derived allele frequencies of SLC24A5 A111T and SLC45A2 L374F were 0.14 and 0.06, with single allele effect sizes of -6 and -4, respectively. Native American ancestry by itself reduced pigmentation by more than 20 melanin units (range 24 - 29). The responsible hypopigmenting genetic variants remain to be identified, since none of the published polymorphisms predicted in prior literature to affect skin color in Native Americans caused detectable hypopigmentation in the Kalinago.