Идеи Алана Тьюринга помогли понять механизм развития пальцев у позвоночных

Рис. 1. Пальцы передней конечности новорожденных мышат с разными наборами отключенных генов-регуляторов. Слева вверху — нормальный мышонок (контроль). Сверху вниз уменьшается активность сигнальной системы Sonic hedgehog/Gli3, слева направо — отключаются гены Hoxa13 и Hoxd11-13. Красным цветом отмечена костная ткань, синим — хрящевая. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Генно-инженерные эксперименты показали, что количество пальцев у мышей зависит от двух взаимодействующих систем генов-регуляторов. По мере отключения этих генов пальцы становятся многочисленнее, короче и тоньше, а их концы соединяются костно-хрящевой дугой, так что в итоге кисть начинает напоминать плавник примитивной рыбы. Новые данные согласуются с гипотезой о том, что развитие пальцев основано на реакционно-диффузионном механизме самоорганизации, придуманном Аланом Тьюрингом в 1952 году. Этот механизм способен генерировать сложные узоры из полос и пятен, часто встречающиеся в живой природе. По-видимому, пальцы развиваются там, где образуются неподвижные «волны» концентраций двух динамически взаимодействующих веществ (морфогенов). Сами эти вещества пока не идентифицированы, а известные гены-регуляторы лишь модифицируют силу их взаимного воздействия, что отражается на длине «волн», которая, в свою очередь, определяет ширину пальцев и их количество.

Алан Тьюринг (1912–1954) внес важный вклад не только в информатику, но и в теорию морфогенеза. Он предположил, что некоторые сложные, упорядоченные структуры могут формироваться путем самоорганизации на основе реакционно-диффузионного механизма, называемого также «моделью Тьюринга». Эта модель, детально разработанная математиками уже после преждевременной смерти Тьюринга, предполагает наличие двух динамически взаимодействующих веществ (морфогенов). Первое вещество, активатор, усиливает собственное производство (положительная обратная связь), а также производство второго вещества — ингибитора. Ингибитор подавляет активность или уменьшает количество активатора (отрицательная обратная связь) и самого себя. Оба вещества проникают путем диффузии из клетки в клетку, но делают это с разной скоростью.

Такая система в зависимости от параметров (силы взаимных влияний и скоростей диффузии) спонтанно порождает разнообразные «рисунки» изменения концентраций в пространстве, которые могут быть как подвижными, вроде бегущих волн, так и стационарными. Предполагается, что реакционно-диффузионные механизмы лежат в основе формирования пятен на шкуре леопарда, полосок зебры и других замысловатых узоров и орнаментов (рис. 2; см. также: Джеймс Д. Марри. Отчего у леопарда пятна на шкуре).

Рис. 2. Реакционно-диффузионные модели позволяют воспроизвести самые причудливые узоры, встречающиеся в живой природе. На каждой фотографии слева — природный объект, справа — имитация его окраски при помощи модели Тьюринга. Изображение из статьи Kondo, Miura, 2010. Reaction-Diffusion Model as a Framework for Understanding Biological Pattern Formation

Новое исследование, выполненное биологами из Испании, Канады и США, показало, что реакционно-диффузионный механизм, возможно, отвечает и за формирование пальцев у позвоночных. В ходе онтогенеза пальцы действительно возникают в виде «узора» из регулярно расположенных полосок на еще не расчлененной пластинке — зачатке кисти или стопы. Поначалу эти полоски отличаются от соседних клеток только активностью некоторых генов (таких как Sox9), а  потом в них начинает формироваться хрящевая ткань.

Важную роль в формировании пальцев играет сигнальная система, основанная на белках Sonic hedgehog (Shh) и Gli3. У заднего края зачатка кисти (там, где будет мизинец) включается «организатор» — группа клеток, выделяющих сигнальный белок-морфоген Shh. Последний не позволяет белку Gli3 превратиться в Gli3R — белок-репрессор, подавляющий экспрессию некоторых других генов-регуляторов. В результате формируется передне-задний градиент концентрации Gli3R (максимум там, где будет большой палец, минимум — возле мизинца), который играет ключевую роль в определении передне-задней полярности зачатка конечности.

Мутации, нарушающие работу системы Shh/Gli3, могут приводить к полидактилии (см.: Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми, «Элементы», 09.07.2010) и нарушениям «идентичности» пальцев (например, вместо большого пальца может развиться второй мизинец). Однако эта система, вопреки прежним предположениям, не является необходимой для развития пальцев как таковых. Оказалось, что даже если ее полностью отключить (например, удалив ген Gli3), пальцы всё равно развиваются (хоть и не такие, как надо, и в большем числе).

Это навело некоторых эмбриологов на мысль, что формирование пальцев, возможно, основано не на «позиционной информации», задаваемой градиентом концентрации того или иного морфогена (как думали раньше), а на совсем другом принципе. Например, на тьюринговском реакционно-диффузионном механизме.

Для проверки этого предположения авторы изучили эффекты другой важной группы генов-регуляторов, экспрессирующихся в зачатках кистей и стоп — хокс-генов Hoxa13, Hoxd11, Hoxd12 и Hoxd13. Их роль в развитии пальцев до сих пор оставалась не совсем ясной.

Генно-инженерные эксперименты на мышах показали, что у животных с нормально работающей системой Shh/Gli3 частичное отключение перечисленных хокс-генов не приводит к выраженной полидактилии, однако ведет к укорочению пальцев, уменьшению числа фаланг, а в экстремальных случаях — к формированию костно-хрящевой дуги, соединяющей кончики пальцев (рис. 1, верхний ряд).

Самые интересные результаты дало отключение хокс-генов у мышей с неработающей системой Shh/Gli3 (нижний ряд на рис. 1). Оказалось, что постепенное уменьшение «дозы» хокс-генов (то есть числа работоспособных аллелей) приводит к столь же постепенному усилению полидактилии. У мышей с отключенной системой Shh/Gli3, но с полным набором хокс-генов (Gli3–/–, Hoxa13+/+, Hoxd11-13+/+) на лапках развивается по 7–8 пальцев. Отключение половины копий хокс-генов (Gli3–/–, Hoxa13+/–, Hoxd11-13+/–) увеличивает число пальцев до 8–9. Если же отключить гены Hoxd полностью (Gli3–/–, Hoxa13+/–, Hoxd11-13–/–) , пальцев становится уже 13. При этом пальцы становятся короткими, тонкими, почти не расчлененными, а их концы сливаются в цельную костно-хрящевую дугу, окаймляющую кисть. Такая конечность больше похожа на плавники акул и примитивных лучеперых рыб, чем на лапы нормальных четвероногих (рис. 3).

Рис. 3. Эволюция конечностей у позвоночных. Показаны грудные плавники акулы Chiloscyllium punctatum и примитивной костной лучеперой рыбы Polypterus senegalus, восьмипалая конечность древней амфибии акантостеги (поздний девон) и кисти мышей с рисунка 1. Справа схематично изображены области экспрессии Hoxd и Hoxa и передне-задний градиент концентрации Gli3R. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

По мнению исследователей, полученные результаты прекрасно согласуются с версией о реакционно-диффузионном механизме формирования пальцев. Авторы разработали тьюринговскую модель, которая воспроизводит экспериментально установленные факты не только в общих чертах, но и в мелких деталях. Например, при полном отключении Hoxa13 эмбрионы погибают до рождения, но зачатки конечностей у них успевают сформироваться. Это позволило установить, что пальцы у эмбрионов Gli3–/–, Hoxa13–/– имеют тенденцию ветвиться. Такие же ветвящиеся пальцы сгенерировала и модель Тьюринга, когда в нее ввели соответствующие параметры (рис. 4).

Рис. 4. Ветвление пальцев у мышиного эмбриона с отключенными генами Hoxa13 и Gli3 (слева) и похожее явление, воспроизведенное в реакционно-диффузионной модели (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Предложенная авторами модель постулирует существование двух взаимодействующих морфогенов — активатора и ингибитора. Оба морфогена активируются активатором и ингибируются ингибитором, причем с разной силой. Это порождает на периферии зачатка конечности неподвижные «волны» концентраций морфогенов в форме полос, соответствующих будущим пальцам. Чтобы пальцы были ориентированы правильно, то есть росли от основания к периферии, необходимо, чтобы сила положительного влияния активатора на самого себя регулировалась расстоянием от основания конечности (проксимально-дистальным градиентом, который задается у позвоночных морфогеном FGF).

Для объяснения большинства установленных фактов достаточно допустить, что сила воздействия активатора на ингибитор зависит от «дозы» генов Hoxa13 и Hoxd11-13. Чем меньше доза, тем сильнее воздействие. Отключение хокс-генов усиливает влияние активатора на ингибитор, что приводит к уменьшению длины «волн» (подобно тому, как период колебаний пружинного маятника уменьшается с ростом жесткости пружины). В результате пальцы становятся многочисленнее и тоньше.

Наконец, чтобы объяснить ряд тонких деталей (таких как изменение ширины пальцев в проксимально-дистальном направлении, а также случаи их разветвления), пришлось еще предположить, что эффект хокс-генов модулируется проксимально-дистальным градиентом FGF.

Рис. 5. Формирование пальцев у мышиных эмбрионов с разными комбинациями включенных и выключенных генов-регуляторов. Внизу показаны результаты моделирования закладки пальцев у мышей Gli3–/– на основе механизма Тьюринга. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Получившаяся модель весьма точно воспроизвела эффект уменьшения дозы хокс-генов у мышей Gli3–/– (рис. 5), включая то обстоятельство, что по мере увеличения числа пальцев уменьшается их длина. При полном отключении Hoxa13 и Hoxd11-13 число пальцев должно стремиться к бесконечности, а их размер — к нулю, что на практике будет означать просто-напросто отсутствие пальцев. Именно это и наблюдается как в модели, так и у трансгенных эмбрионов (которые в этом случае не доживают до рождения).

Если выводы авторов верны, то искусственное усиление активности хокс-генов в зачатках конечности должно приводить к олигодактилии — уменьшению числа пальцев. Хорошо бы это проверить. Впрочем, отрицательный результат не опровергнет гипотезу, потому что не исключено, что нормальная активность хокс-генов уже обеспечивает максимальный возможный эффект. Решающей проверкой, конечно, будет обнаружение (или необнаружение после тщательных поисков) загадочных «тьюринговских» морфогенов — активатора и ингибитора.

Сходство лапок трансгенных мышат с плавниками рыб (рис. 3) позволяет предположить, что тьюринговский механизм, контролирующий развитие конечностей, сформировался очень давно — возможно, еще до разделения челюстноротых позвоночных на хрящевых и костных рыб. Последние передали его четвероногим «по наследству». Возможно, превращение плавников в лапы было связано лишь с перенастройкой этого древнего механизма, с изменением характера влияния на него хокс-генов и Shh, а не с созданием принципиально новой программы развития конечностей.

Источник: 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.

См. также:
1) Джеймс Д. Марри. Отчего у леопарда пятна 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) Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми, «Элементы», 09.07.2010.

Александр Марков