Российские учёные объяснили появление пятнистой окраски животных

Специалисты из Института биоорганической химии и нескольких других исследовательских центров показали, что образование пятен на шкуре и многих других структур у зародыша животных зависит от того, как конкретные белки-морфогены прикрепляются к поверхности клеток.

Сотрудники ИБХ РАН совместно с коллегами из МГУ и ФИАН построили математическую модель того, как перемещение определённых белков в процессе эмбрионального развития позволяет зародышу формировать динамические пространственные структуры. Пример такой структуры — пятна на шкуре или чешуе. Такая самоорганизация может происходить благодаря разному по скорости связыванию биологически активных веществ (морфогенов) на внеклеточном веществе. Результаты исследования опубликованы в журнале PLoS ONE.

Изначально эмбрион состоит из нескольких одинаковых клеток, но постепенно их число растёт, и из них образуются сложные трёхмерные структуры. В их составе разные клетки имеют различные свойства. Считается, что подобные структуры формируются в результате динамической самоорганизации. Важную роль в ней играют белки-морфогены. Дословно морфоген — образующий форму. Эти белки клетки выделяют наружу, в межклеточное пространство, и их молекулы распространяются (диффундируют) на большие расстояния.

Морфогены попадают на поверхность отдалённых клеток и связываются там с протеогликанами — особыми белками. Чтобы при этом получилась сложная структура из клеток, необходимо, чтобы участвующие в процессе морфогены имели различную скорость диффузии (распространения в пространстве). То есть один белок доходил бы до других клеток быстро, а другой — гораздо медленнее. Однако на деле морфогены часто имеют очень близкие коэффициенты диффузии. Тем не менее она идёт с разной скоростью. Почему так происходит, долгое время было не ясно.

Ранее те же исследователи показали, что в процессе диффузии в межклеточном пространстве разные морфогены могут с разной силой связываться с протеогликанами, адсорбироваться на их поверхности. Авторы работы предположили, что именно эта разница в связывании морфогенов может обеспечивать значительную разницу в их скоростях диффузии. Они построили математическую модель для двух морфогенов, в которую добавили параметр адсорбции этих веществ с протеогликанами. По словам Максима Кузнецова, сотрудника Физического института им. П.Н. Лебедева и одного из авторов статьи, это позволило получить в виртуальном эмбрионе пространственные структуры по механизму динамической самоорганизации.

Новую модель рассмотрели на различных примерах, в том числе на окраске сомика-кукушки. "Эта рыба из семейства перистоусых окрашена в жёлтый цвет с многочисленными чёрными пятнами, которые разбросаны по всему телу. Разработанная нами модель хорошо объясняет формирование и закономерное уменьшение пятен его окраски по направлению от хвоста к голове", — говорит Дарья Короткова, один из авторов, студентка МГУ, выполняющая дипломную работу в лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза.

Предложенный учёными подход даёт предпосылки для создания математических моделей разнообразных структур зародыша. Сейчас исследователи работают над его дальнейшим экспериментальным подтверждением.