Почему у однояйцевых близнецов нет одинаковых отпечатков пальцев? Новое исследование дает подсказку.

Волны химических сигналов распространяются по развивающимся пальцам, создавая уникальные в своем роде узоры из гребней.

Нет двух абсолютно одинаковых отпечатков пальцев. Именно это делает их столь полезными для полиции и смартфонов, позволяющих безошибочно идентифицировать людей. Предыдущие исследования показали, что гены играют определенную роль в формировании сложного узора из борозд и бугорков на кончиках наших пальцев, так почему же у однояйцевых близнецов нет одинаковых отпечатков пальцев? Новое исследование показывает, что три семейства сигнальных молекул - наряду с небольшими различиями в форме пальцев и сроках роста кожи - взаимодействуют между собой, создавая наши уникальные вариации.

"Это отличный пример того, как незначительные колебания... могут породить бесконечные вариации паттерна", - говорит Роэль Нуссе, биолог по развитию из Стэнфордского медицинского института, который не принимал участия в исследовании.

Неровные поверхности пальцев улучшают хватку и встречаются у людей и лазающих видов, таких как коалы и шимпанзе. Они также помогают нам ощущать разницу между текстурами. Отпечатки пальцев формируются относительно рано в процессе развития плода, начиная примерно с 13-й недели беременности, когда на кончиках пальцев образуются углубления, называемые первичными гребнями. Эти гребни развиваются в три основных узора: симметричные, круговые узоры, называемые "завитки"; более длинные, изогнутые узоры, называемые "петли"; и треугольные гребни, известные как "арки". Ученые определили несколько генов, которые влияют на то, какие узоры в конечном итоге появляются в отпечатках пальцев человека, но биохимические механизмы, которые приводят к формированию этих гребней, оказались неуловимыми.

Чтобы пролить свет на эту загадку, Денис Хедон, генетик из Эдинбургского университета, и его коллеги секвенировали РНК в ядрах клеток кончиков пальцев эмбриона человека, чтобы определить гены, экспрессируемые в процессе развития. (Эмбриональные ткани были получены от людей, которые прервали свою беременность в Великобритании). Эти гены позволили обнаружить три различных сигнальных пути - семейства белков, которые передают инструкции между клетками - каждый из которых играет свою роль в управлении ростом кожи на кончиках пальцев. Гены, участвующие в двух из этих сигнальных путей, известных как WNT и BMP, экспрессируются в чередующихся полосах клеток в развивающихся кончиках пальцев, создавая то, что в конечном итоге станет бороздками и бугорками отпечатка пальца. Третий фактор, EDAR, экспрессируется наряду с WNT в развивающихся бороздках.

У мышей на пальцах также имеются простые гребни. Когда исследователи искусственно подавили сигнальные пути у мышей, они обнаружили, что сигналы WNT и BMP действуют противоположным образом. WNT стимулирует рост клеток для создания приподнятых бугорков во внешнем слое кожи, в то время как BMP подавляет рост клеток для формирования борозд. Сигналы EDAR помогают определить размер и расстояние между бугорками. Например, когда исследователи отключили путь WNT, на их пальцах совсем не образовывались гребни, тогда как отключение пути BMP сделало гребни более широкими. А у мышей с мутацией, заглушающей активность EDAR, на пальцах вырастали гребни в горошек, а не полоски.

В конечном счете, эти три сигнальных пути работают вместе, контролируя формирование первичных гребней, которые перерастают в волнистую структуру отпечатков пальцев, сообщает на этой неделе группа исследователей в журнале Cell.

Противоположные отношения между WNT и BMP в кончиках пальцев человека характерны для паттернов Тьюринга - когда различные, перекрывающиеся химические активности приводят к образованию сложных паттернов - которые широко распространены в природе и приводят к появлению полос и пятен, наблюдаемых в мехе животных и коже тропических рыб. "Индивидуальная уникальность [отпечатков пальцев] обусловлена мельчайшими элементами узора", - говорит Хедон, - такими как длинные гребни, которые останавливаются, гребни, которые разделяются на две части, или короткие гребни, называемые островами. "Узоры Тьюринга легко дают такие мелкие элементы", - объясняет он.

Однако общая форма отпечатка пальца - в виде завитка, петли или дуги - зависит от анатомии пальца и точного времени формирования гребня. В эмбриональных тканях человека исследователи обнаружили, что первичные гребни начинают формироваться в трех местах: в центре мягкой приподнятой подушечки пальца плода, на конце пальца под ногтем и в складке на суставе, где палец сгибается. От этих трех мест гребни расходятся по кончику пальца, как "волны... каждый гребень служит для определения положения следующего", - говорит Хедон. Анатомия пальца помогает направлять рост клеток пальца. Если подушечки пальцев большие и симметричные, и гребни начинают формироваться на них рано, то они имеют тенденцию к образованию завитка. Если подушечки длиннее и асимметричны, то получается петля. Если гребни на подушечке просто не образуются или начинают формироваться на поздних стадиях развития, то гребни от складки и ногтя встречаются посередине, образуя дугу.

Исследователи также обнаружили, что те же химические сигналы - WNT, BMP и EDAR - заставляют клетки в других частях тела развиваться в волосяные фолликулы. Но кончики наших пальцев остаются без волос, потому что формирование фолликулов на ладонях прекращается раньше. Это говорит о том, что различные структуры в коже начинают один и тот же путь раннего развития, а затем расходятся по специализированным функциям. "Возможно, все структуры, формирующиеся в нашем самом большом органе - коже, включая волосы, железы, отпечатки пальцев, - образуются по одному и тому же механизму", - говорит Нуссе.