В 1999 году в домашнем аквариуме, принадлежавшем коллекционеру тропических рыб в Великобритании, появилась на свет рыба-клоун ( Amphiprion ocellaris). Эти рыбы высоко ценятся из-за их неповторимой расцветки, которая характеризуется тремя параллельными белыми полосами, обрамленными тонкими черными линиями. Однако особой была популяция рыб, обитающая в Великобритании: вместо обычных ровных полос на их теле были заметны волнистые, гофрированные узоры, расположенные симметрично. Данные узоры наследуются от родителей, что способствовало формированию подвида, известного как «Снежинка». При этом причина возникновения столь необычного окраса до сих пор не была выяснена.
Через двадцать лет исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) смогли, наконец определили точный ген, ответственный за это изменение, и тем самым пролили свет на главную загадку: как природа создает повторяющиеся закономерности. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
«По словам профессора Венсана Лоде, автора исследования, теоретически все кажется довольно простым. Однако на практике это оказывается сложной задачей. Остается неясным, как клетка определяет свою окраску — черную, белую или оранжевую — и одновременно формирует четко структурированные узоры в макромасштабе. Данное исследование не только выявило генетические механизмы, лежащие в основе этого процесса, но и предоставило универсальную модель для изучения формирования подобных узоров у различных организмов».
Рыбы-снежинки во многом напоминают рыб-клоунов, за исключением их уникальной окраски, что делает их превосходными моделями для генетических исследований пигментации. Чтобы выяснить причину такого внешнего вида, ученые обратились к изучению другой рыбы. У данио-рерио хорошо исследованы горизонтальные линии, которые сохраняют пропорциональность размера и расположения в процессе роста. Ранее, благодаря другому мутантном виду – «леопардовой» данио-рерио, у которой вместо полос имеются пятна, ученым удалось выявить один из генов, определяющих структуру рисунка. Этот ген кодирует специфический белок щелевых контактов, который выполняет роль посредника между клетками, обеспечивая обмен информацией посредством электрических импульсов и небольших молекул.
Сравнительный анализ геномов Снежинки и обычной рыбы-клоуна выявил удивительное сходство. По словам Лоде, команда сразу заметила, что у Снежинки есть мутация в гене, аналогичном тому, что наблюдается у Леопарда!»
Тем не менее, это открытие вызвало больше вопросов, чем предоставило решений. Ранее предполагалось, что белки щелевых контактов у рыбок данио играют ключевую роль в создании паттерна Тьюринга. Данная модель, названная в честь известного британского математика Алана Тьюринга, объясняет, как эти белки способствуют формированию полос, подавляя близкие связи и стимулируя отдаленные взаимодействия между пигментными клетками, что в конечном итоге приводит к образованию однородных узоров у данио.
Модель Тьюринга не способна объяснить, как формируется окраска у рыб-клоунов, так как расположение и последовательность их полос не меняются в течение всей жизни. Это говорит о том, что передается информация, определяющая место и время появления каждой полосы. Доктор Марлин Кланн, ведущий научный сотрудник отдела морской экоэволюционной биологии, отмечает: «Наше исследование показало, что белок щелевых контактов не уникален для формирования окраски по Тьюрингу у данио, и демонстрирует, что он в целом обеспечивает эффективную межклеточную коммуникацию». Выяснилось, что эти процессы гораздо древнее, чем предполагалось ранее: пресноводные данио-рерио и морские рыбы-клоуны отделились друг от друга более 200 миллионов лет назад.
Представленное доказательство свидетельствует о существовании единого биологического принципа, определяющего структуру клеток, расположенных на границах тканей. С целью изучения механизмов, лежащих в основе организации клеток, определяющих окраску у рыб-клоунов, исследователи обратились к знаниям из области физики мембран. В результате было установлено, что модель Эдвардса – Уилкинсона, представляющая собой наиболее элементарную схему, достоверно воспроизводит процесс формирования и исчезновения чёткой границы между пигментирующими клетками у рыб-клоунов и у представителей других видов.
«По словам одного из авторов исследования, профессора Симоне Пиголотти, модель демонстрирует взаимодействие двух сил. Первая из них – поверхностное натяжение, которое поддерживает образование ровной мембраны. Вторая – шум, оказывающий противоположное влияние. Соотношение между этими двумя факторами определяет степень её изреченности и особенности окраски».
«По словам Пиголотти, модель представляет собой универсальный инструмент, который помогает интерпретировать полученные данные и направляет дальнейший поиск, в том числе среди различных видов, что способствует выявлению закономерностей. Это механизм положительного взаимодействия между теорией и экспериментальными исследованиями.
Лоде отмечает: «Совместная работа со Снежинкой и разработанная нами совместно с профессором Масато Киношитой из Киотского университета трансгенная рыба-анемона помогли нам продвинуться в изучении невероятно сложных процессов, определяющих даже такую, на первый взгляд, простую задачу, как организация клеток».
[Фото: Эндрю Скотт / Окинавский институт науки и технологий (OIST) ]