Ідеї Алана Тьюринга допомогли зрозуміти механізм розвитку пальців у хребетних

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 60

Ріс. 1. Пальці передньої кінцівки новонароджених мишат з різними наборами відключених генів-регуляторів. Зліва вгорі — нормальний мишеня (контроль). Зверху вниз зменшується активність сигнальної системи Sonic hedgehog/Gli3, зліва направо — відключаються гени Hoxa13 і Hoxd11-13. Червоним кольором відзначена кісткова тканина, синім — хрящова. Зображення з обговорюваної статті в Science

Генно-інженерні експерименти показали, що кількість пальців у мишей залежить від двох взаємодіючих систем генів-регуляторів. У міру відключення цих генів пальці стають численнішими, коротшими і тоншими, а їх кінці з’єднуються кістково-хрящовою дугою, так що в підсумку пензель починає нагадувати плавник примітивної риби. Нові дані узгоджуються з гіпотезою про те, що розвиток пальців заснований на реакційно-дифузійному механізмі самоорганізації, придуманому Аланом Тьюрінгом в 1952 році. Цей механізм здатний генерувати складні візерунки зі смуг і плям, що часто зустрічаються в живій природі. Мабуть, пальці розвиваються там, де утворюються нерухомі «хвилі» концентрацій двох динамічно взаємодіючих речовин (морфогенів). Самі ці речовини поки не ідентифіковані, а відомі гени-регулятори лише модифікують силу їх взаємного впливу, що відбивається на довжині «хвиль», яка, в свою чергу, визначає ширину пальців і їх кількість.

Алан Тьюрінг (1912-1954) зробив важливий внесок не тільки в інформатику, але і в теорію морфогенезу. Він припустив, що деякі складні, впорядковані структури можуть формуватися шляхом самоорганізації на основі реакційно-дифузійного механізму, званого також «моделлю Тьюринга». Ця модель, детально розроблена математиками вже після передчасної смерті Тьюрінга, передбачає наявність двох динамічно взаємодіючих речовин (морфогенів). Перша речовина, активатор, посилює власне виробництво (позитивний зворотний зв’язок), а також виробництво другої речовини — інгібітора. Інгібітор пригнічує активність або зменшує кількість активатора (негативний зворотний зв’язок) і самого себе. Обидві речовини проникають шляхом дифузії з клітини в клітку, але роблять це з різною швидкістю.

Така система в залежності від параметрів (сили взаємних впливів і швидкостей дифузії) спонтанно породжує різноманітні «малюнки» зміни концентрацій в просторі, які можуть бути як рухливими, на зразок біжучих хвиль, так і стаціонарними. Передбачається, що реакційно-дифузійні механізми лежать в основі формування плям на шкурі леопарда, смужок зебри та інших хитромудрих візерунків і орнаментів (рис. 2; див. також: Джеймс Д. Маррі. Чому у леопарда плями на шкурі).

Ріс. 2. Реакційно-дифузійні моделі дозволяють відтворити найбільш химерні візерунки, що зустрічаються в живій природі. На кожній фотографії ліворуч — природний об’єкт, праворуч — імітація його забарвлення за допомогою моделі Тьюрінга. Зображення зі статті Kondo, Miura, 2010. Reaction-Diffusion Model as a Framework for Understanding Biological Pattern Formation

Нове дослідження, виконане біологами з Іспанії, Канади та США, показало, що реакційно-дифузійний механізм, можливо, відповідає і за формування пальців у хребетних. Під час онтогенезу пальці дійсно виникають у вигляді «візерунка» з регулярно розташованих смужок на ще не розчленованій платівці — зачатку кисті або стопи. Спочатку ці смужки відрізняються від сусідніх клітин тільки активністю деяких генів (таких як Sox9), а потім в них починає формуватися хрящова тканина.

Важливу роль у формуванні пальців відіграє сигнальна система, заснована на білках Sonic hedgehog (Shh) і Gli3. У заднього краю зачатка пензля (там, де буде мізинець) включається «організатор» — група клітин, що виділяють сигнальний білок-морфоген Shh. Останній не дозволяє білку Gli3 перетворитися на Gli3R — білок-репресор, переважний експресію деяких інших генів-регуляторів. В результаті формується передньо-задній градієнт концентрації Gli3R (максимум там, де буде великий палець, мінімум — біля мізинця), який відіграє ключову роль у визначенні передньо-задньої полярності зачатка кінцівки.

Мутації, що порушують роботу системи Shh/Gli3, можуть призводити до полідактилії (див.: Нововідкриті риб’ячі гени допомогли зрозуміти, чому перші чотирилапі були багатопалими, «Елементи», 09.07.2010) і порушенням «ідентичності» пальців (наприклад, замість великого пальця може розвинутися другий мізинець). Однак ця система, всупереч колишнім припущенням, не є необхідною для розвитку пальців як таких. Виявилося, що навіть якщо її повністю відключити (наприклад, видаливши ген Gli3), пальці все одно розвиваються (хоч і не такі, як треба, і в більшому числі).

Це навело деяких ембріологів на думку, що формування пальців, можливо, засноване не на «позиційній інформації», яка задається градієнтом концентрації того чи іншого морфогена (як думали раніше), а на зовсім іншому принципі. Наприклад, на тьюринговському реакційно-дифузійному механізмі.

Для перевірки цього припущення автори вивчили ефекти іншої важливої групи генів-регуляторів, що експресуються в зачатках кистей і стоп — хокс-генів Hoxa13, Hoxd11, Hoxd12 і Hoxd13. Їхня роль у розвитку пальців досі залишалася не зовсім ясною.

Генно-інженерні експерименти на мишах показали, що у тварин з нормально працюючою системою Shh/Gli3 часткове відключення перерахованих хокс-генів не призводить до вираженої полідактилії, проте веде до укорочення пальців, зменшення числа фаланг, а в екстремальних випадках — до формування кістково-хрящової дуги, що з’єднує кінчики пальців (рис. 1, верхній ряд).

Найцікавіші результати дало відключення хокс-генів у мишей з непрацюючою системою Shh/Gli3 (нижній ряд на рис. 1). Виявилося, що поступове зменшення «дози» хокс-генів (тобто числа працездатних алелей) призводить до настільки ж поступового посилення полідактилії. У мишей з відключеною системою Shh/Gli3, але з повним набором хокс-генів (Gli3-/-, Hoxa13 +/+, Hoxd11-13 +/+) на лапках розвивається по 7-8 пальців. Відключення половини копій хокс-генів (Gli3-/-, Hoxa13 +/-, Hoxd11-13 +/-) збільшує число пальців до 8-9. Якщо ж відключити гени Hoxd повністю (Gli3-/-, Hoxa13 +/-, Hoxd11-13-/-), пальців стає вже 13. При цьому пальці стають короткими, тонкими, майже не розчленованими, а їх кінці зливаються в цільну кістково-хрящову дугу, що окаймає пензель. Така кінцівка більше схожа на плавники акул і примітивних променевих риб, ніж на лапи нормальних чотириногих (рис. 3).

Ріс. 3. Еволюція кінцівок у хребетних. Показані грудні плавники акули Chiloscyllium punctatum і примітивною кістковою променеперою риби Polypterus senegalus, восьмипала кінцівка стародавньої амфібії акантостеги (пізній девон) і пензля мишей з малюнка 1. Праворуч схематично зображені області експресії Hoxd і Hoxa і передньо-задній градієнт концентрації Gli3R. Зображення з обговорюваної статті в Science

На думку дослідників, отримані результати чудово узгоджуються з версією про реакційно-дифузійний механізм формування пальців. Автори розробили тьюринговську модель, яка відтворює експериментально встановлені факти не тільки в загальних рисах, але і в дрібних деталях. Наприклад, при повному відключенні Hoxa13 ембріони гинуть до народження, але зачатки кінцівок у них встигають сформуватися. Це дозволило встановити, що пальці у ембріонів Gli3-/-, Hoxa13-/- мають тенденцію гілитися. Такі самі пальці згенерувала і модель Тьюрінга, коли в неї ввели відповідні параметри (рис. 4).

Ріс. 4. Гілка пальців у мишиного ембріона з відключеними генами Hoxa13 і Gli3 (ліворуч) і схоже явище, відтворене в реакційно-дифузійній моделі (праворуч). Зображення з обговорюваної статті в Science

Запропонована авторами модель постулює існування двох взаємодіючих морфогенів — активатора та інгібітора. Обидва морфогени активуються активатором і інгібуються інгібітором, причому з різною силою. Це породжує на периферії зачатка кінцівки нерухомі «хвилі» концентрацій морфогенів у формі смуг, що відповідають майбутнім пальцям. Щоб пальці були орієнтовані правильно, тобто росли від підстави до периферії, необхідно, щоб сила позитивного впливу активатора на самого себе регулювалася відстанню від основи кінцівки (проксимально-дистальним градієнтом, який задається у хребетних морфогеном FGF).

Для пояснення більшості встановлених фактів достатньо допустити, що сила впливу активатора на інгібітор залежить від «дози» генів Hoxa13 і Hoxd11-13. Чим менша доза, тим сильніший вплив. Відключення хокс-генів посилює вплив активатора на інгібітор, що призводить до зменшення довжини «хвиль» (подібно до того, як період коливань пружинного маятника зменшується зі зростанням жорсткості пружини). У результаті пальці стають численнішими і тоншими.

Нарешті, щоб пояснити ряд тонких деталей (таких як зміна ширини пальців в проксимально-дистальному напрямку, а також випадки їх розгалуження), довелося ще припустити, що ефект хокс-генів модулюється проксимально-дистальним градієнтом FGF.

Ріс. 5. Формування пальців у мишачих ембріонів з різними комбінаціями включених і вимкнених генів-регуляторів. Внизу показані результати моделювання закладки пальців у мишей Gli3-/- на основі механізму Тьюрінга. Зображення з обговорюваної статті в Science

Модель, що вийшла, досить точно відтворила ефект зменшення дози хокс-генів у мишей Gli3-/- (рис. 5), включаючи ту обставину, що в міру збільшення числа пальців зменшується їх довжина. При повному відключенні Hoxa13 і Hoxd11-13 число пальців повинно прагнути до нескінченності, а їх розмір — до нуля, що на практиці буде означати просто-напросто відсутність пальців. Саме це і спостерігається як у моделі, так і у трансгенних ембріонів (які в цьому випадку не доживають до народження).

Якщо висновки авторів вірні, то штучне посилення активності хокс-генів у зачатках кінцівки має призводити до олігодактилії — зменшення числа пальців. Добре б це перевірити. Втім, негативний результат не спростує гіпотезу, тому що не виключено, що нормальна активність хокс-генів вже забезпечує максимальний можливий ефект. Вирішальною перевіркою, звичайно, буде виявлення (або необзовання після ретельних пошуків) загадкових «тьюринговських» морфогенів — активатора та інгібітора.

Схожість лапок трансгенних мишат з плавниками риб (рис. 3) дозволяє припустити, що тьюринговський механізм, що контролює розвиток кінцівок, сформувався дуже давно — можливо, ще до поділу щелепноротих хребетних на хрящових і кісткових риб. Останні передали його чотирилапим «у спадок». Можливо, перетворення плавників на лапи було пов’язано лише з переналаштуванням цього стародавнього механізму, зі зміною характеру впливу на нього хокс-генів і Shh, а не зі створенням принципово нової програми розвитку кінцівок.

Джерело: Rushikesh Sheth, Luciano Marcon, M. Félix Bastida, Marisa Junco, Laura Quintana, Randall Dahn, Marie Kmita, James Sharpe, Maria A. Ros. Hox Genes Regulate Digit Patterning by Controlling the Wavelength of a Turing-Type Mechanism // Science. 2012. V. 338. P. 1476–1980.

Див. також:

1) Джеймс Д. Маррі. Чому у леопарда плями на шкуре.

2) Alan Mathison Turing. The Chemical Basis of Morphogenesis (PDF, 1,14 Мб) // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. V. 237. No. 641 (Aug. 14, 1952). Pp. 37–72.

3) Shigeru Kondo, Takashi Miura. Reaction-Diffusion Model as a Framework for Understanding Biological Pattern Formation // Science. 2010. V. 329. P. 1616-1620.

4) Нововідкриті риб’ячі гени допомогли зрозуміти, чому перші чотирилапі були багатопалими, «Елементи», 09.07.2010.

Олександр Марков