Временные сигналы помогают сохранять пропорции человека

Исследователи из Университета Дьюка обнаружили новый механизм формирования биологических паттернов, основанный на "внутренних часах". Это может объяснить, как развивающийся организм поддерживает пропорции органов и частей тела, характерные для своего вида.

От паттернов Тьюринга к временным сигналам

В 1952 году Алан Тьюринг математически показал, как разнообразие природных узоров (например, пятна гепарда) может возникать из-за диффузии и взаимодействия химических веществ. Однако многие учёные считали, что этого недостаточно для полного объяснения.

Генетическая схема в бактериях

В новом исследовании, опубликованном 21 апреля в журнале Cell, команда под руководством Линчона Ю (Lingchong You) создала генетическую схему в популяции бактерий E. coli:

• Бактерии запрограммированы производить белок T7RNAP (синяя флуоресценция), который активирует собственную экспрессию по принципу положительной обратной связи.
• По мере роста колонии и увеличения производства T7RNAP, запускается выработка химического сигнала, индуцирующего производство белка T7 лизоцима (красная флуоресценция), который, в свою очередь, ингибирует производство T7RNAP.
• В местах взаимодействия двух молекул в колонии появляются фиолетовые узоры.

Формирование "мишени" и контроль масштаба

Поскольку бактерии на периферии колонии более активны, чем в центре, эта система приводит к образованию фиолетового кольца, похожего на мишень. Учёные обнаружили, что могут контролировать толщину кольца и время его появления, изменяя:

• Размер среды для роста.
• Количество доступных питательных веществ.

Эти переменные действуют как временной сигнал для развития паттерна. Большая среда или больше питательных веществ задерживают формирование кольца.

Принципиально новый механизм

"В нашем эксперименте мы получаем пространственную подсказку из неожиданного источника. Мы как бы получаем её бесплатно из тайминга генетической схемы, — пояснил Ю. — Эти две диффундирующие молекулы не диктуют, в каких позициях клетки будут начинать или прекращать производство белков. Вместо этого они говорят клеткам, когда начинать или прекращать производство белков. Этого достаточно, чтобы создать паттерн и контролировать его масштабирование, и это принципиально новый механизм".

Исследователи полагают, что подобные временные схемы могут работать и в других организмах, включая животных, помогая обеспечивать сохранение пропорций в процессе развития.