Как формируются узоры перьев у птиц

Перья эволюционировали у динозавров и являются ключевой характеристикой современных птиц. В коже птицы они расположены в точном гексагональном узоре, но механизм этого процесса оставался неясным. Согласно новому исследованию, опубликованному 21 февраля в журнале PLOS Biology, под руководством доктора Уильяма Хо и Дениса Хедона из Эдинбургского университета, формирование узора перьев зависит от сигнального пути эктодисплазина (EDA) и его рецептора EDAR — того же пути, который, как известно, критически важен для образования волосяных фолликулов, зубов и чешуи у рыб, ящериц и млекопитающих.

В ходе развития птицы перья сначала появляются в ряд вдоль середины спины (дорсальной средней линии), после чего ряды новых зачатков перьев добавляются последовательно распространяющейся волной. Недавние исследования показали, что естественные вариации в узоре перьев связаны с двумя сигнальными путями, включающими молекулы фактора роста фибробластов (FGF) и костного морфогенетического белка (BMP). Чтобы лучше понять этот процесс, Хо, Хедон и коллеги исследовали, как взаимодействуют межклеточная сигнализация, движение клеток, их плотность и механические процессы для формирования узора перьев.

Исследователи показывают, что формирование узора зависит от связанной сигнализации FGF и BMP, а также от движения клеток дермы (мезенхимальных клеток). Более того, третий путь — сигнализация EDA/EDAR — является критическим сигналом, запускающим волну формирования узора. Эта волна распространяется и взаимодействует с градиентом плотности мезенхимальных клеток. В рамках механо-химического процесса FGF20 индуцирует агрегацию клеток, что сжимает вышележащий эпидермис и быстро усиливает экспрессию FGF20. Распространяющаяся волна образования перьев задаётся расширяющейся волной EDA, которая, в свою очередь, инициирует выработку FGF20. Волна EDA распространяется по градиенту плотности мезенхимальных клеток, запуская формирование узора за счёт снижения порога плотности клеток, необходимого для начала образования зачатка пера.

Интересно, что исследователи обнаружили, что в отличие от кур и уток, эти волны и точный гексагональный массив их перьевого узора были утрачены у нелетающих эму и страусов в результате разных путей развития.

«Формирование перьев изучается более 50 лет как модель для понимания того, как простые ткани взаимодействуют для создания органов, — сказал Хедон. — С новыми технологиями мы теперь можем наблюдать процесс развития органов в реальном времени, получая глубокое понимание того, как эмбриональное тело создаёт сложную анатомию посредством движения клеток и их сигнализации друг другу. По мере того как мы раскрываем правила, определяющие количество перьев у цыплят до вылупления, мы можем представить способы регулирования плотности оперения у сельскохозяйственных птиц, которые могут страдать от перегрева, чтобы сделать её соответствующей климату, в котором они будут обитать».