Как образуются уникальные массивы завитушек, дуг и петель на кончиках наших пальцев, долгое время оставалось загадкой для ученых. Теперь в статье, опубликованной 9 февраля в журнале Cell, эта загадка раскрыта: выяснен не только процесс формирования отпечатков пальцев, но и гены, отвечающие за него. Оказывается, наши характерные отпечатки - результат того же явления, что и полоски у зебр и пятна у леопардов.

В течение нескольких лет биологи по развитию из Эдинбургского университета Denis Headon, James Glover и их коллеги изучали процесс развития и созревания кожи, проявляя особый интерес к отпечаткам пальцев. Отпечатки пальцев формируются еще до рождения и, возможно, возникли потому, что они улучшают нашу способность хвататься за предметы или чувствовать их текстуру. Однако ученые долгое время не могли понять, как именно формируются эти характерные узоры. По словам Хедона, понимание этого процесса может помочь улучшить терапию врожденных заболеваний человека, таких как эктодермальная дисплазия, или даже привести к созданию лучших способов регенерации кожи.

Ранее предполагалось, что отпечатки пальцев могут возникать в результате какого-то уже существующего шаблона, способа взаимодействия клеток кожи пальцев или даже простого сморщивания кожи. Чтобы выяснить, какая из этих идей верна, Хедон и его команда использовали множество методов, включая изучение тканей мыши и человека под микроскопом, изучение экспрессии генов отдельных клеток с помощью секвенирования РНК одного ядра, выращивание групп клеток на культуральных пластинах и компьютерное моделирование.

"Одна вещь, которая меня поразила, - это широта различных подходов, которые они используют в работе", - сказал The Scientist Jeff Rasmussen, биолог по вопросам развития из Вашингтонского университета, который не принимал участия в работе. "Все эти различные виды методологии действительно помогают им выстроить целостную историю".

Эта история начинается во внешнем слое тканей организма, называемом эпителием. В итоге команда Headon обнаружила, что отпечатки пальцев вначале очень похожи на волосяные фолликулы: И те, и другие начинаются как небольшие диски клеток на эпителии, и в обоих случаях клетки включают гены для набора белков, включая EDAR и WNT, которые, соответственно, связаны с тем, как эпителиальные клетки и клетки в целом мигрируют, дифференцируются и созревают. Однако в волосяных фолликулах происходит рекрутирование клеток из слоев под эпителием, формирующих глубокую трубку, в которой в итоге вырастет волос. Небольшие различия в экспрессии генов не позволяют этому этапу рекрутирования происходить в отпечатках пальцев.

Эти же различия в экспрессии генов, по-видимому, создают паттерн Тьюринга, названный так в честь английского математика Alan Turing, который впервые выдвинул гипотезу о его существовании. Еще в 1952 году Тьюринг предположил, что естественные биологические узоры, такие как полосы или пятна, могут формироваться в присутствии двух молекул: медленно движущегося активатора и быстро движущегося ингибитора. Активатор выполнял три действия: 1) говорит клеткам сделать что-то, например, произвести цветной пигмент; 2) говорит клеткам произвести больше активатора; и 3) говорит клеткам начать производить свой ингибитор. Тем временем ингибитор говорит клетке замедлить производство активатора (и, таким образом, в конечном итоге произвести меньше самой себя). Это означает, что активатор и ингибитор всегда производятся в общей пропорции друг к другу, и вся система может распространяться даже из одной точки инициации.

Процесс, конечно, трудно представить, но через некоторое время эта схема активации и ингибирования может привести к появлению ряда полос или пятен, в зависимости от того, как эффект распространяется от начальной точки. В новом исследовании ученые обнаружили, что белки WNT и EDAR действуют как активаторы, создающие гребни в формирующейся коже, а белки под названием BMPs (которые вырабатываются в ответ на WNT) действуют как ингибиторы.

Mouse digits contain ridges which can be used as a model to study human fingerprint formation. These ridges form through a Turing reaction-diffusion system as a series of transverse stripes (left). Disrupting components of this system leads to changes in the pattern produced, such as the formation of spots when the gene for the protein EDAR is mutated (right).

Сегодня мы знаем, что паттерны Тьюринга отвечают за такие вещи, как полоски зебры и пятна леопарда, возможно, даже за расположение пальцев на наших руках. Аналогичные явления в физике могут объяснить даже такие узоры, как полосы на песчаных дюнах. В своей работе Хедон и его коллеги увидели, как это явление проявляется на кончиках пальцев мышей с мутациями в гене EDAR, когда полосатые гребни их отпечатков превращаются в пятнистые бугорки, что, по словам автора исследования James Glover, трудно объяснить чем-то иным, кроме как шаблоном Тьюринга.

По-видимому, первоначально узор зарождается в трех местах у человека: вверху возле ногтя, в центре кончика пальца и внизу возле складки от первой костяшки. По мере созревания узора Тьюринга гребни отпечатков пальцев расходятся волнами от этих начальных участков, в конце концов встречаясь в центре и образуя уникальный узор отпечатков пальцев, с которым каждый из нас рождается.

"Именно то, как эта система узоров включается в разных местах и ориентируется в разных местах... ...именно это определяет тип отпечатков пальцев", - говорит Хедон.

Некоторые из коллег команды - Benjamin Walker, Adam Townsend и Andrew Krause - создали онлайн-симулятор под названием VisualPDE, где люди могут экспериментировать с узорами Тьюринга и местами инициации. Симуляция VisualPDE не является уникальной для отпечатков пальцев, но может проиллюстрировать, как небольшие изменения могут создавать уникальные узоры.

Расмуссен говорит, что ему было бы интересно посмотреть, смогут ли ученые перепрограммировать этот процесс, создавая волосяные фолликулы или отпечатки пальцев там, где их раньше не было. Хедон надеется, что в будущем эта работа может привести к созданию методов лечения врожденных заболеваний или медицинской регенерации.

Но, по словам Гловера, не менее ценно узнать больше о многочисленных способах, которыми закономерности Тьюринга проявляются и связывают жизнь на Земле, и о тонких путях, которыми они могут привести к такому разнообразию форм. "Из этого можно... получить более широкое представление о том, как формируются закономерности в биологии", - объясняет он. "Эти системы действительно различаются между органами и видами. Поэтому изучение различных механизмов и систем будет очень полезно в будущем".