Схемы роста волос формируются еще до рождения

Фото из открытых источников

У млекопитающих волосяные фолликулы формируются во время эмбрионального развития, образуя геометрические узоры, которые различаются у разных видов. Но как определяется положение каждого волоса? Команда из Женевского университета показала, что простой механизм, основанный на движении клеток в ответ на химические сигналы, может воспроизвести формирование волосяных фолликулов у двух видов млекопитающих. Исследование, опубликованное в журнале PNAS, проливает новый свет на принципы самоорганизации, которые приводят к образованию сложных биологических структур.

Шерсть, перья и большинство чешуек развиваются из эмбриональных структур, известных как плакоды. На протяжении десятилетий биологи пытались понять, как эти плакоды располагаются, образуя характерные узоры, наблюдаемые у разных видов.

До сих пор преобладающим объяснением для лабораторных мышей (Mus musculus) была так называемая модель индукции расширения. Согласно этой теории, каждая вновь образованная плакода вырабатывает ингибирующую молекулу, которая препятствует образованию соседних плакод. По мере расширения эмбриональной кожи, области в конечном итоге выходят за пределы досягаемости этого ингибитора, позволяя появляться новым плакодам и постепенно заполнять промежутки между существующими. Хотя эта модель широко принята, экспериментально не было доказано, что она применима в более широком смысле.

Новая работа предполагает, что простые клеточные взаимодействия могут порождать удивительное разнообразие тканевых архитектур, наблюдаемое на протяжении всей эволюции.

Исследовательская группа под руководством Атанасии Цики, старшего преподавателя, и Мишеля Милинковича, профессора кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук Женевского университета, исследовала альтернативное объяснение, основанное на хемотаксисе — способности клеток мигрировать в ответ на химические градиенты. Этот механизм, например, направляет белые кровяные клетки к очагам воспаления.

Используя математическую модель, описывающую взаимодействие между подвижными клетками дермы и привлекательным химическим сигналом, вырабатываемым эпидермисом, исследователи смоделировали рост эмбриональной кожи и постепенное формирование плакод. Их результаты показывают, что этот самоорганизующийся механизм воспроизводит ту же динамику развития, которая ранее приписывалась модели экспансии-индукции у лабораторных мышей.

«Наши результаты показывают, что наблюдаемые закономерности не требуют сложной системы, указывающей каждой плакоде, где ей следует формироваться», — объясняют Мухамет Ибрахими и Эбрахим Джаханбахш из Департамента генетики и эволюции. «Вместо этого плакоды возникают спонтанно в результате локальных взаимодействий между клетками и химическими сигналами».

Затем команда протестировала модель на другом виде грызунов — колючей мыши (Acomys dimidiatus), шерсть которой демонстрирует удивительно регулярное и высокоориентированное расположение волосяных фолликулов — закономерность, которую классическая модель индукции расширения объяснить не может.

Используя экспериментальные данные трехмерной визуализации эмбриональной кожи, исследователи продемонстрировали, что тот же самый хемотаксический механизм, обнаруженный у лабораторных мышей, в сочетании со специфическими биохимическими свойствами и характеристиками роста кожи колючей мыши, точно воспроизводит ее характерную организацию фолликулов.

«Наша работа предполагает, что простые клеточные взаимодействия могут порождать замечательное разнообразие тканевых архитектур, наблюдаемое на протяжении всей эволюции», — заключает Атанасия Цика. «Таким образом, наблюдаемые различия между видами являются результатом одного и того же процесса самоорганизации, но с вариациями во взаимодействии между клетками и химическими сигналами».