В 1999 году в аквариуме любителя тропических рыб в Великобритании вылупилась рыба-клоун (Amphiprion ocellaris). Эти рыбы ценятся за свой уникальный окрас: три прямые белые полосы, окаймленные тонкой черной линией. Но рыба из Великобритании была особенной: вместо обычных прямых полос у нее были волнистые, гофрированные узоры, симметричные с обеих сторон. Узоры передавались по наследству из поколения в поколение, что привело к появлению подвида под названием "Снежинка", но механизм, вызывающий такой необычный окрас, оставался загадкой.
Спустя два десятилетия исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) наконец-то определили точный ген, ответственный за это изменение, и тем самым пролили свет на главную загадку: как природа создает повторяющиеся закономерности.
"В теории все должно быть просто, — говорит профессор Венсан Лоде, автор работы. — Но на практике это загадка. Как клетка понимает, какой ей быть — черной, белой или оранжевой, — и при этом последовательно создает четко организованные узоры на макроуровне? Снежинка не только указала нам на генетический механизм, но и предложила универсальную схему для изучения формирования узоров у разных видов".
Рыбы-снежинки похожи на других рыб-клоунов во всех отношениях, кроме необычного окраса, что делает их идеальными модельными организмами для изучения генетики пигментации. Чтобы понять, почему они выглядят именно так, исследователи обратились к другой рыбе. У рыбок данио хорошо изучены горизонтальные линии, которые остаются пропорциональными по размеру и расположению по мере роста рыбы. Благодаря другому мутантному виду — "леопардовой" данио-рерио, у которой вместо полосок появляются пятна, — исследователи ранее определили один из генов, участвующих в формировании паттерна. Он кодирует специфический белок щелевых контактов, который, по сути, служит своеобразным телефонным проводом между клетками, позволяя им обмениваться информацией в виде электрического тока и небольших молекул.
Когда команда сравнила геномы Снежинки и обычной рыбы-клоуна, они обнаружили поразительное сходство. Лоде говорит: "Мы сразу поняли, что у Снежинки мутация в том же гене, что и у Леопарда!"
Это увлекательное открытие расширило горизонт исследований! Раньше считалось, что у рыбок данио белок щелевых контактов отвечает за формирование паттерна Тьюринга. Эта элегантная модель, названная в честь выдающегося математика Алана Тьюринга, показывает, как белок формирует полосы: подавляя ближние контакты и стимулируя дальние взаимодействия пигментных клеток, создавая гармоничные узоры у данио.
Однако модель Тьюринга не объясняла формирование окраски рыб-клоунов: их полосы остаются неизменными в течение жизни! Это указывает на четкую передачу информации о точном месте и времени появления каждой полоски. Доктор Марлин Кланн (Отдел морской экоэволюционной биологии) поясняет: "Мы выяснили, что белок щелевых контактов универсален! Он обеспечивает межклеточную коммуникацию не только по принципам Тьюринга у данио". Поразительно, что этот механизм гораздо древнее, чем предполагалось: эволюционные пути данио-рерио и рыб-клоунов разошлись свыше 200 миллионов лет назад!
Данное свидетельство указывает на фундаментальный принцип организации клеточных границ! Изучая пигментацию рыб-клоунов, исследователи обратились к физике мембран. Удивительно, но простая модель Эдвардса—Уилкинсона идеально описывает формирование и стабильность границ между пигментными клетками у этих рыб и других организмов.
"Модель описывает две ключевые силы, — раскрывает соавтор работы профессор Симоне Пиголотти. — С одной стороны — поверхностное натяжение, формирующее гладкие мембраны. С другой — динамичный шум, имеющий обратный эффект. Баланс этих сил определяет структуру мембраны и уникальные узоры пигментации".
"Эта модель — универсальный инструмент, открывающий понимание наших наблюдений, — воодушевленно добавляет Пиголотти. — Она направляет дальнейший поиск новых закономерностей у различных видов. Плодотворное сотрудничество теории и экспериментов создает прекрасную синергию!".
Лоде подчёркивает: Благодаря проекту Снежинка и нашей успешной совместной работе с профессором Масато Киношитой из Киотского университета, завершившейся созданием уникальной трансгенной рыбы-анемоны, мы сделали важный шаг вперед. Теперь мы гораздо ближе к расшифровке удивительно сложных принципов, лежащих в основе, казалось бы, обычного процесса — упорядочивания клеток!
Эти вдохновляющие результаты открывают перспективы для лучшего понимания фундаментальных природных закономерностей.
Источник: scientificrussia.ru