Вслед за разгадкой секрета окраски зебры ученые выяснили, почему тигры полосатые, а леопарды пятнистые. Общий принцип, ответственный за периодические мотивы, был предсказан еще математиком Аланом Тьюрингом и может оказаться полезным для управляемой дифференциации стволовых клеток.
Гипотеза о происхождении пестрой окраски животных семейства кошачьих принадлежит отнюдь не биологам и зоологам. Первым ее высказал знаменитый английский математик, логик, криптограф, оказавший существенное влияние на развитие информатики, Алан Тьюринг (в этом году Великобритания празднует столетие со дня его рождения). Еще в середине прошлого века он предположил, что регулярно повторяющиеся узоры в биологических системах создаются парой веществ-морфогенов, одно из которых работает как активатор, а другое как ингибитор, то есть «включатель» и «выключатель». Морфогенами называют все вещества, определяющие поведение и судьбу клеток, их воспринимающих, в зависимости от дозы (концентрации) вещества в данном участке многоклеточного зародыша.
Ученые из Королевского колледжа Лондона подтвердили, что чисто математическая гипотеза Тьюринга о протекании биологических процессов верна.
Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Genetics.
Обнаруженный механизм не только объясняет формирование внешнего вида позвоночных, но и, как предполагают ученые, может быть использован в регенеративной медицине для направленной дифференциации стволовых клеток в клетки различных тканей.
Чтобы проверить гипотезу Тьюринга, исследователи изучили процесс формирования ребристого нёба мыши (если вы когда-нибудь пробовали засунуть палец в рот своей кошке, вы представляете себе эти повторяющиеся неровности).
Проводя опыты над мышиными эмбрионами, ученые обнаружили пару морфогенов, поочередно включающих образование «горки» и «бороздки» на нёбе зверька.
Вещества работают «в связке», контролируя выделение друг друга (активируя и ингибируя выработку в нужный момент) и формирование «правильного» рельефа.
Исследователям удалось выделить специфические морфогены, вовлеченные в этот процесс – их называют FGF (Fibroblast Growth Factor) и Shh (Sonic Hedgehog). Когда активность этих морфогенов падает или растет, рельеф нёба мыши формируется в полном соответствии с гипотезой Тьюринга. Это первый случай, когда соответствующие морфогены были напрямую идентифицированы, и он полностью подтверждает спорную до сих пор гипотезу Тьюринга.
«Периодические структуры, от позвоночника и волосяных фолликулов до полосок тигра или рыбки данио-рерио, – фундаментальное свойства биологических систем. До сих пор существовали несколько теорий их формирования в природе, однако до настоящего метода для теории Тьюринга прямых доказательств не было. Наше исследование – первое экспериментальное подтверждение работы системы активатор-ингибитор для формирование «полос» (в данном случае это нёбо мыши)», – заявил Джереми Грин, руководивший работой.
«Этот год – год столетия Тьюринга, и мы были просто обязаны отдать дань замечательной гипотезе великого математика.
Она ждала этого слишком долго – более 50 лет!» – отметил Грин.
