Как отпечатки пальцев приобретают свои уникальные завитки

Завитки, дуги и петли, которые делают отпечатки пальцев уникальными, производятся во время внутриутробного развития волнами крошечных гребней, которые формируются на кончиках пальцев, распространяются и затем сталкиваются друг с другом — подобно процессу, который дает полоски зебре или пятна гепарду. .

В исследовании 1, опубликованном 9 февраля в журнале Cell , исследователи обнаружили, что взаимодействие между двумя белками — один из которых стимулирует образование гребней, а другой — ингибирует его, — создает периодические волны гребней, которые возникают из трех разных областей на кончике пальца.

Точное расположение этих областей и столкновения между волнами дают уникальную картину отпечатка пальца. «Чтобы придумать эти различные модели арок, петель и завитков, ключом являются не только молекулярные ингредиенты», — говорит соавтор исследования Денис Хедон, биолог-эволюционист из Эдинбургского университета, Великобритания. «Это то, как они развернуты на анатомии руки».

Идентификационные знаки

Считается, что отпечатки пальцев обеспечивают дополнительный захват и чувствительность кончиков пальцев, а их узоры уже давно используются для идентификации людей и диагностики некоторых состояний развития. В прошлом году Хедон и его коллеги опубликовали работу 2, описывающую гены, влияющие на отпечатки пальцев, многие из которых участвуют в развитии конечностей. Эти гены, по-видимому, заложили основу для формирования отпечатков пальцев, но многие из них были неактивны во время этого процесса, что позволяет предположить, что они не принимали непосредственного участия в формировании гребней.

Чтобы узнать больше о формировании отпечатков пальцев, Хедон и его коллеги проследили, как появляются отпечатки пальцев в ходе развития плода. Анатомические исследования и анализ активности генов показали, что клетки, формирующие отпечатки пальцев, следовали по пути развития, который первоначально имитировал путь развития волосяного фолликула. Но, в отличие от паттерна генной активности фолликула, клетки гребня не смогли включить клетки из более глубоких слоев кожи.

Анализ подтвердил наличие «системы реакции-диффузии Тьюринга», которая может быть создана, когда молекула, активирующая процесс развития, стимулирует как себя, так и молекулу-ингибитор. В результате получается самоорганизующаяся система, которая создает периодические закономерности, говорит Мариан Рос, специалист по биологии развития из Института биомедицины и биотехнологии Кантабрии в Сантандере, Испания.

Математика узоров

Такие системы были предложены 3 математиком Аланом Тьюрингом в 1952 году в качестве химического объяснения таких процессов развития, как расположение листьев на растении или щупалец у небольших водных организмов, называемых гидрами. С тех пор механизмы реакции-диффузии Тьюринга описывались как инструмент для установления большого разнообразия знакомых биологических признаков, включая ярко окрашенную чешую некоторых тропических рыб и узоры перьев у птиц.

Чтобы найти молекулы, которые управляют формированием паттерна кончиков пальцев, Хедон и его сотрудники изучили гребни на пальцах ног мыши и человеческие клетки, выращенные в трехмерных культурах. Они обнаружили, что белок, называемый WNT, который важен для развития волосяных фолликулов, стимулирует формирование гребней. Другая молекула, называемая BMP, ингибирует их, образуя систему реакции-диффузии Тьюринга.