Як зародок «вирішує», де саме на шкірі з’являться волосся чи шерсть? Нове дослідження університету Женеви пропонує несподівано просту відповідь: достатньо того, що клітини рухаються, орієнтуючись на хімічні сигнали. Команда створила модель, у якій локальні взаємодії клітин відтворюють реальні візерунки розташування волосяних фолікулів у ссавців, повідомляє ScienceDaily.
Як зазвичай пояснювали формування фолікулів
Ще до народження шкіра ембріона формує точні місця, де пізніше виростуть волосся чи шерсть. Ці «зачатки» називають плакодами, і вони вибудовуються в характерні геометричні візерунки, що різняться у різних видів.
Для лабораторної миші (Mus musculus) довгий час домінувала так звана модель розширення‑індукції. Згідно з нею, щойно з’являється нова плакода, вона виділяє речовину, яка гальмує виникнення інших плакод занадто близько. Коли шкіра ембріона росте й розтягується, деякі ділянки віддаляються від цього хімічного впливу настільки, що там можуть сформуватися нові плакоди. Так поступово виникає впорядкований «килим» фолікулів.
Це пояснення широко використовували, але воно не було експериментально підтверджене як універсальне для різних типів шерсті й малюнків у тварин.
Хемотаксис як альтернатива складній «інструкції»
Група під керівництвом Афанасії Ціки (Athanasia Tzika) та Мішеля Мілінковіча (Michel Milinkovitch) з факультету науки Університету Женеви звернулася до іншого процесу — хемотаксису. Це явище, коли клітини рухаються в напрямку вищої або нижчої концентрації певної хімічної речовини.
Той самий механізм, наприклад, допомагає клітинам імунної системи знаходити осередки запалення. Дослідники припустили, що схожий принцип може працювати і в шкірі, коли формуються плакоди — попередники волосяних фолікулів, пір’я або луски.
Вони створили математичну модель, яка відстежує, як рухливі клітини у дермі реагують на привабливий хімічний сигнал з епідермісу — зовнішнього шару шкіри. Далі в моделюванні «виростили» ембріональну шкіру й подивилися, чи зможуть із цього процесу випливти правильні візерунки плакод.
Модель відтворила спостережувану послідовність формування фолікулів у лабораторних мишей — ту саму, яку раніше пояснювали лише через модель розширення‑індукції. Це свідчить, що складна централізована «інструкція», яка «каже» кожному фолікулу, де з’явитися, може й не бути потрібною.
Дослідники Мухамед Ібрахімі (Muhamet Ibrahimi) та Ебрагім Джаханбахш (Ebrahim Jahanbakhsh) підсумовують: плакоди можуть виникати спонтанно з локальних взаємодій між клітинами й хімічними сигналами, без детального генетичного «плану» для кожної точки.
Один механізм — різні візерунки шерсті
Щоб перевірити, наскільки загальним є цей підхід, команда застосувала модель до іншого виду — колючої миші (Acomys dimidiatus). У цієї тварини волосяні фолікули розміщені особливо регулярно й сильно зорієнтовані в одному напрямку, і така структура погано узгоджується з традиційною моделлю розширення‑індукції.
Використавши тривимірні зображення ембріональної шкіри колючої миші, вчені налаштували модель під її біохімічні особливості та характер росту шкіри. Виявилося, що той самий базовий процес — рух клітин у полі хімічних сигналів — здатен відтворити й цей високовпорядкований візерунок фолікулів.
Різниця між звичайною лабораторною мишею та колючою мишею в моделі виникає не через зовсім різні механізми, а через варіації в параметрах: властивостях сигналів, чутливості клітин і темпах росту шкіри.
Самоорганізація як загальне правило природи
Робота, опублікована в журналі PNAS, показує, що складні біологічні структури можуть бути результатом відносно простих правил самоорганізації. Замість детального «креслення» для кожного виду достатньо базового набору взаємодій між клітинами й хімічними речовинами, який по‑різному налаштовується в ході еволюції.
За версією авторів, такий підхід може пояснити не лише візерунки волосяних фолікулів, а й різноманіття тканинних структур у тварин загалом. Варіюючи спосіб, у який клітини реагують на своє оточення, природа здатна створювати широкий спектр форм і малюнків без окремого генетичного «плану» для кожного з них.
У підсумку дослідження підтримує ідею, що еволюційна різноманітність архітектури тканин у ссавців може виростати з однієї спільної, простої за принципом, але гнучкої системи самоорганізації.