Тонкости дактилоскопии: ученые объяснили, почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев

Предыдущие исследования показали, что гены во многом определяют, как формируется сложный рисунок гребешков и бороздок на кончиках наших пальцев. Но это только усложнило ответ на вопрос: так почему же у однояйцевых близнецов отпечатки разные? Ведь ДНК-то у них совпадают.

Недавнее исследование ученых из Фуданьского университета, Шанхай, показало, что гены решают не все. Оказалось, что процессом формирования отпечатков управляют три семейства сигнальных молекул, а их работа зависит от целого набора случайных событий и отклонений, которые у разных людей никогда не совпадают.

«Это отличный пример того, как малые колебания порождают бесконечные вариации», — говорит Роэл Нусс, биолог из Стэнфордского университета, не участвовавший в исследовании.

Узоры на пальцах — очень нужны. Они улучшают сцепление с предметами и помогают почувствовать текстуру поверхности, которой мы касаемся. Уникальные отпечатки есть не только у людей, но и, например, у коал и шимпанзе.

Отпечатки пальцев формируются относительно рано при развитии плода. Уже на 13-й недели беременности на кончиках пальцев образуются так называемые первичные гребешки. Эти гребешки развиваются в три основных узора: симметричные круговые образования — «завитки», более длинные изогнутые - «петли», и треугольные - «арки». Ученые идентифицировали несколько генов, влияющих на то, какие узоры появляются на кончиках пальцев человека, но биохимические механизмы, управляющие образованием этих гребешков, оставались не ясны.

Чтобы разрешить эту загадку, Денис Хедон, генетик из Эдинбургского университета и его коллеги секвенировали РНК клеток кончика пальца человеческого эмбриона и идентифицировали гены, экспрессирующие во время развития этих клеток. (Эмбриональная ткань была получена от женщин, прервавших беременность в Соединенном Королевстве.) Гены показали три различных сигнальных пути, которые играют важную роль в управлении ростом кожи на кончиках пальцев: WNT, BMP и EDAR. (Сигнальный путь — это семейство белков, передающих инструкции, поступающие от рецепторов внутрь клетки).

Гены, участвующие в двух из трех сигнальных путей - WNT и BMP, работают в чередующихся полосах клеток кончиков пальцев. Эти гены и сигнальные пути создают гребешки и бороздки. Третий путь - EDAR - экспрессируется вместе с WNT и отвечает за форму гребешка.

У мышей тоже есть отпечатки, и они тоже состоят из гребешков и бороздок. Когда исследователи искусственно подавили сигнальные пути у мышей, они обнаружили, что пути WNT и BMP работают разнонаправленно. WNT стимулирует рост клеток, создавая гребешки, а BMP подавляет рост клеток, образуя бороздки. Сигналы EDAR отвечают за размер гребешков и расстояние между ними. Например, когда исследователи отключили путь WNT, на пальцах мышей перестали возникать гребешки. Когда был удален путь BMP, гребешки стали выше и шире. Совсем неожиданный рисунок возник у мышей, с подавленным EDAR: на пальцах вырастали не длинные гребешки, а что-то вроде горошин, то есть не линии, а точки.

Когда все три сигнальных пути работают вместе, они и создают отпечаток пальца.

Форма отпечатка пальца зависит от анатомии пальца и точного времени формирования каждого гребешка. Исследователи обнаружили, что в тканях эмбриона человека первичные гребни начинают формироваться в трех местах: в центре подушечки пальца, на кончике пальца под ногтем и в складке сустава, где сгибается палец. От этих трех мест гребешки распространяются по кончику пальца, как «волны... каждый новый гребень определяет положение следующего», — говорит Хедон. Анатомия пальца направляет рост гребешков. Если подушечки большие, симметричные и на них рано начинают формироваться гребешки, они скорее всего образуют завитки. Если подушечки длинные и немного асимметричные, на них образуются петли. Если гребешки начинают формироваться на более поздних стадиях развития плода, то они возникают только в центре подушечки и это всегда арки.

То есть, каким будет отпечаток пальца зависит от целой серии случайных событий, которые при развитии двух разных эмбрионов никогда не совпадают. События, за которые отвечает работа сигнальных путей, не совпадают и у однояйцевых близнецов: достаточно, чтобы у одного формирование отпечатков началось чуть позднее, чем у другого, или чуть различались формы подушечек, и отпечатки пальцев уже не совпадут.

Исследователи обнаружили, что одни и те же химические сигнальные пути — WNT, BMP и EDAR — заставляют клетки в других частях тела развиваться в волосяные фолликулы. Но кончики наших пальцев остаются безволосыми, потому что формирование фолликулов на ладонях прекращается рано. Вполне возможно, что все различные структуры кожи начинают развиваться по одному и тому же сценарию, прежде чем начнется специализация. «Возможно, все структуры, образованные нашим самым большим органом - кожей, включая волосы, железы, отпечатки пальцев, в основе своей генерируются одним и тем же механизмом», — говорит Роэл Нусс.