Почему у каждого человека свой уникальный отпечаток узора пальцев.

Как отпечатки пальцев получают свои единственные в своем роде завихрения

Сложные узоры создаются во время внутриутробного развития, когда образуются тонкие гребни на коже и врезаются друг в друга.

Нет двух одинаковых: узоры на отпечатке пальца возникают из волны за волной хребтов, которые начинаются в разных местах, распространяются навстречу друг другу, а затем сталкиваются.

Мутовки, арки и петли, которые делают отпечатки пальцев уникальными, образуются во время развития плода волнами крошечных гребней, которые образуются на кончике пальца, распространяются, а затем сталкиваются друг с другом — подобно процессу, который дает зебре ее полосы, или гепарду ее пятна.

В исследовании 1 Опубликованные 9 февраля в Cell, исследователи обнаружили, что взаимодействие между двумя белками — один, который стимулирует образование хребтов, и другой, который ингибирует его — производит периодические волны хребтов, которые возникают из трех различных областей на кончике пальца.

Точное местоположение этих областей и столкновения между волнами дают уникальный рисунок отпечатка пальца. «Чтобы придумать эти различные узоры арок, петель и завитков, ключом являются не только молекулярные ингредиенты», — говорит соавтор исследования Денис Хадон, биолог развития из Эдинбургского университета, Великобритания. «Это то, как они развернуты на анатомии руки».

Опознавательные знаки

Считается, что отпечатки пальцев обеспечивают дополнительное сцепление и чувствительность к кончикам пальцев, и их паттерны уже давно используются для идентификации людей и диагностики некоторых состояний развития. В прошлом году Хэдон и его коллеги опубликовали работу 2 описание генов, влияющих на паттерны отпечатков пальцев, многие из которых участвуют в развитии конечностей. Эти гены, казалось, заложили основу для формирования отпечатков пальцев, но многие из них были неактивны во время процесса, предполагая, что они не были непосредственно вовлечены в формирование хребтов.

Чтобы узнать больше о моделировании отпечатков пальцев, Хэдон и его коллеги отслеживали, как отпечатки пальцев появляются в ходе развития плода. Анатомические исследования и анализ активности генов показали, что клетки, которые образуют дактилоскопические гребни, следовали по пути развития, который первоначально имитировал волосяной фолликул. Но, в отличие от паттерна активности генов фолликула, клетки хребта не смогли включить клетки из глубины поверхности кожи.

Анализ подтвердил наличие «реакционно-диффузионной системы Тьюринга», которая может быть создана, когда молекула, активирующая процесс развития, стимулирует как себя, так и ингибирующую молекулу. Результатом является самоорганизующаяся система, которая создает периодические паттерны, говорит Мариан Рос, биолог развития в Институте биомедицины и биотехнологии Кантабрии в Сантандере, Испания.

Математика паттернов

Такие системы были предложены 3 математик Алан Тьюринг в 1952 году как химическое объяснение процессов развития, таких как расположение листьев на растении или щупалец на небольших водных организмах, называемых гидрами. С тех пор механизмы реакции и диффузии Тьюринга были описаны как способствующие установлению широкого спектра знакомых биологических достопримечательностей, включая ярко окрашенные чешуйки некоторых тропических рыб и рисунки перьев у птиц.

Чтобы найти молекулы, которые направляют рисунок кончиков пальцев, Хэдон и его сотрудники изучили гребни на пальцах ног мышей и клетки человека, выращенные в 3D-культурах. Они обнаружили, что белок под названием WNT, который важен в развитии волосяных фолликулов, стимулирует образование гребня. Другая молекула, называемая BMP, ингибирует их, образуя реакционно-диффузионную систему Тьюринга.

Источник: Ссылка 1.

Хребты исходят из трех областей: кончик пальца; центр кончика пальца; и складка у основания кончика пальца, где палец сгибается (см. раздел «Как узорчатся отпечатки»). В моделировании Хэдон и его команда изменили время, угол и точное местоположение происхождения волн в этих трех местах и создали арки, петли и завитки. «Эти волны столкнутся», — говорит Ченг-Мин Чуонг, биолог развития из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. «И когда они сталкиваются, они обеспечивают турбулентность, которая помогает создать разнообразие отпечатков пальцев».

Полученные результаты являются значительным шагом вперед в нашем понимании моделирования отпечатков пальцев, говорит Рос. Чуонг отмечает, что прошлые исследования кожных хребтов, таких как отпечатки пальцев, как правило, были сосредоточены больше на теоретических и моделирующих подходах, чем на экспериментальных данных. Но последнее исследование использует достижения в методах культивирования клеток и других методах, чтобы продвинуть область: «Их работа открывает эту область», — говорит Чуонг. Теперь люди могут больше смотреть на эти скрытые узоры в нашей коже».