Ученые раскрыли секрет отпечатков пальцев, формирующихся в утробе матери
Маккензи Прилламан10 февраля 2023 г. · 5 минут чтения
Индивидуальные линии на кончиках пальцев формируются в утробе матери благодаря особому молекулярному процессу.
Момент-икс наконец настал. Ученые поняли как эти «дуги, петли и завитки» образовались на кончиках человеческих пальцев. Замысловатые узоры образуются во время внутриутробного развития волнами крошечных линий, которые формируются на кончиках пальцев, распространяются и затем сталкиваются друг с другом. Это похоже на процесс образования полос у зебры или пятен у гепарда.
Отпечатки пальцев каждого человека уникальны и сохраняются на протяжении всей жизни. Еще с 1800-х годов их использовали, чтобы идентифицировать личность. Ранее ученые уже выдвигали несколько теорий, объясняющих, как формируются отпечатки пальцев. Они считали, что секрет индивидуальных отпечатков кроется в спонтанном складывание кожи, молекулярной передаче сигналов и представлении о том, что рисунок кончиков пальцев может следовать за расположением кровеносных сосудов.
Ученым было известно, что линии, характеризующие индивидуальность отпечатков пальцев, начинают формироваться в утробе матери виде нисходящих наростов на кожу. В течение следующих нескольких недель быстро размножающиеся клетки в траншеях начинают расти вверх, что приводит к утолщению кожи.
В новом исследовании, опубликованном 9 февраля в журнале Cell ученые обнаружили, что взаимодействие между двумя белками, один из которых стимулирует образование линий, а другой подавляет их, создает периодические волны линий, которые появляются из трех различных областей на кончике пальца.
Точное расположение этих областей и столкновения между волнами оставляют уникальный рисунок на отпечатке пальца. «Одних молекулярных ингредиентов для создания различных вариаций петель и завитков недостаточно», — считает соавтор исследования Денис Хедон, биолог-эволюционист из Эдинбургского университета, Великобритания.
Как формируются замысловатые узоры
Чтобы изучить, как эти сигнальные молекулы могут взаимодействовать, образуя неповторимые узоры, команда отрегулировала уровни молекул у мышей. У мышей нет отпечатков пальцев, но на их пальцах есть полосатые бороздки на коже, сравнимые с человеческими отпечатками. «Мы поворачиваем циферблат или молекулу вверх—вниз, и видим как их полосатые бороздки меняются», — говорит биолог развития Денис Хедон из Эдинбургского университета.
Отпечатки и идентификация
В прошлом году Хедон опубликовал работу, где описываются гены, влияющие на отпечатки пальцев. Многие из этих генов заложили основу для формирования отпечатков пальцев, но не были активны во время самого процесса, что позволяет предположить, что они не принимали непосредственного участия в формировании линий. Чтобы узнать больше о формировании отпечатков пальцев, Хедон и его коллеги проследили, как образуются 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 кончиков пальцев не смогли включить клетки из более глубоких слоев кожи.
Три самые распространенные формы отпечатков пальцев — арка, петля и завиток (обведены фиолетовым цветом) — можно отчасти объяснить теорией, предложенной британским математиком Аланом Тьюрингом.
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 индивидуальных линий
Такие системы расчетов были предложены математиком Аланом Тьюрингом в 1952 году в качестве химического объяснения таких процессов развития, как расположение листьев на растении или щупалец у небольших водных организмов. 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 отпечатков пальцев, Хедон и его сотрудники изучили гребни на пальцах ног мышей и человеческие клетки, выращенные в трехмерных культурах. Они обнаружили, что белок, называемый WNT, который важен для развития волосяных фолликулов, стимулирует формирование линий. Другая молекула, называемая BMP, ингибирует их, образуя систему реакции-диффузии Тьюринга.
Гребни исходят из трех областей: кончика пальца, центра кончика пальца и складки у основания сгиба кончика пальца. Хедон и его команда изменили время, угол и точное местоположение источников волн в этих трех местах, а также создали дуги, петли и завитки. ««Эти волны сталкиваются и когда это происходит, создается турбулентность, которая помогает формировать разнообразные узоры отпечатков пальцев», — говорит Ченг-Минг Чуонг, специалист по биологии развития из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.
По словам Рос, полученные данные значительно продвинули наше понимание относительно формирования отпечатков пальцев. По словам Чуонг, прошлые исследования имели тенденцию больше сосредотачиваться на теоретических подходах и подходах к моделированию, чем на экспериментальных данных. Но последнее исследование отпечатков пальцев использует достижения в методах культивирования клеток и других методах расширения. «Ученые наконец приоткрыли завесу тайны относительно узоров на кончиках наших пальцев», — говорит Чуонг.
