Мутантные рыбы-клоуны раскрывают ген, лежащий в основе природных узоров

Фото из открытых источников

Большинство рыбок-клоунов, кажется, придерживаются строгого рисунка – ярко-оранжевое тело с тремя четкими белыми полосами. Каждая полоса расположена с почти идеальной точностью, как будто тщательно нарисована.

Но в 1999 году в домашнем аквариуме в Великобритании произошел небольшой сюрприз. У одной рыбки-клоуна вылупились белые полосы, которые были непрямыми. Они изгибались и волнообразно изгибались, почти как мягкие складки.

Что еще интереснее, узор был одинаковым с обеих сторон тела. Со временем этот необычный вид передавался из поколения в поколение. Ему дали название: Снежинка. Долгие годы никто не мог объяснить, почему оно так выглядит.

Узоры у животных часто кажутся простыми на первый взгляд, но они являются результатом сложных инструкций, действующих внутри клеток. Каждый цвет и полоса зависят от того, как клетки взаимодействуют друг с другом и определяют свою роль.

Ученые давно задаются вопросом, как эти решения остаются такими упорядоченными. Как у рыбы получаются аккуратные, равномерно расположенные полосы, а не случайное смешение цветов?

«Концептуально это должно быть просто», — сказал профессор Винсент Лаудет из отдела морской экологии, эволюционной биологии и развития в OIST. «Но на практике это остается загадкой. Как клетка узнает, быть ли ей черной, белой или оранжевой, и при этом последовательно создавать четко организованные узоры в макромасштабе? Снежинка указала нам не только на генетический механизм, но и на универсальную концепцию изучения формирования узоров у разных видов».

Чтобы понять, что происходит, исследователи обратились не только к рыбам-клоунам. Они взялись за рыбок данио, вид, часто используемый в лабораториях из-за их четких полосатых узоров. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

У рыбок данио обычно вырастают аккуратные горизонтальные линии, которые остаются равномерно расположенными по мере роста. Но существует известный вариант, называемый «леопардовый». Вместо полос у него появляются пятна. Это изменение помогло ученым идентифицировать ключевой ген, участвующий в формировании рисунка.

Этот ген производит белок щелевых соединений. Он действует как крошечная линия связи между клетками, позволяя им передавать электрические сигналы и небольшие молекулы друг другу.

Когда команда сравнила рыбок-клоунов «Снежинка» с обычными рыбками-клоунами, они обнаружили нечто поразительное.

«Мы сразу это заметили — у Снежинки была мутация в том же самом гене, отвечающем за образование щелевых соединений, что и у Леопарда!» — сказал Лаудет.

Поначалу это открытие, казалось, соответствовало уже существующей идее. Ученые годами использовали модель Тьюринга для объяснения таких узоров, как полосы и пятна. Она описывает, как клетки взаимодействуют на коротких и длинных расстояниях, создавая правильные узоры.

Но рыбы-клоуны не совсем соответствовали этой модели. Их полосы не смещаются и не перестраиваются по мере роста. Полосы появляются в фиксированном положении и остаются там на протяжении всей жизни. Это означает, что система должна полагаться на точное время и местоположение, а не просто на общие взаимодействия.

«Мы обнаружили, что белок щелевых соединений не является специфическим для формирования паттернов Тьюринга у рыбок данио, и показали, что он обеспечивает четкую межклеточную коммуникацию в целом», — объясняет Марлин Кланн. «Очевидно, что это гораздо более древний вид, чем мы думали: пресноводные данио-рерио и морские рыбы-клоуны разошлись более 200 миллионов лет назад».

Для дальнейшего продвижения исследователи вышли за рамки традиционной биологии. Они обратились к физике, а именно к изучению поведения поверхностей в очень малых масштабах.

Исследователи обнаружили, что простая модель из физики, известная как модель Эдвардса-Уилкинсона, может объяснить наблюдаемые явления. Эта модель фокусируется на двух силах, формирующих поверхности.

«Модель описывает две силы, — пояснил профессор Симоне Пиголотти. — Одна из них — поверхностное натяжение, которое способствует гладкости мембраны. Другой фактор — шум, который оказывает противоположный эффект. Баланс между этими двумя силами определяет степень волнистости мембраны и рисунка пигментации».

Иными словами, плавные полосы, наблюдаемые у большинства рыбок-клоунов, являются результатом баланса, поддерживающего чистоту границ. У рыбок-снежинок этот баланс нарушается ровно настолько, чтобы создавать рябь вместо прямых линий.

«Модель — это универсальный инструмент, который позволяет нам понимать наши наблюдения, а также дает подсказки о том, куда следует обратиться дальше, в том числе и для разных видов, что, в свою очередь, может помочь прояснить общие принципы. Это позитивная спираль между теорией и экспериментом», — сказал Пиголотти.

Это открытие выходит далеко за рамки простого любопытства к аквариумам. Оно показывает, что небольшое генетическое изменение может повлиять на то, как клетки взаимодействуют друг с другом, и что это изменение может предсказуемым образом изменить видимые закономерности.

Подобный тип клеточной коммуникации наблюдается у многих животных, включая человека. Более глубокое понимание этого процесса может помочь объяснить, как формируются ткани, как развиваются органы и что происходит, когда эти процессы нарушаются.

«Благодаря Snowflake и нашим трансгенным рыбам-клоунам, которых мы успешно создали совместно с профессором Масато Киноситой в Киотском университете, мы приблизились на шаг к пониманию удивительно сложных механизмов, лежащих в основе, казалось бы, обыденной задачи организации клеток», — сказал Лаудет.

Одна-единственная рыба с волнистыми полосами породила вопрос, который оставался без ответа более двадцати лет. Ответ, как оказалось, был связан с генетикой, эволюцией и даже физикой.

Узор на теле рыбы-клоуна может показаться незначительной деталью. Но он содержит ключ к пониманию того, как живые системы организуются на каждом уровне.

А иногда для разгадки этих загадок достаточно одной рыбы, которая не следует правилам.