科学家揭开人类手指脚趾形成之谜

2021年05月15日14:12:02

最近,西班牙加泰罗尼亚高等研究院(ICREA)和庞培法布拉大学(UPF)科学家合作,通过实验证明了手指和脚趾的形成也受图灵60多年前提出的生物花纹形成机制的控制。

计算机科学之父、英国数学家阿兰图灵对数学生物学的贡献同样重大,他于1952年发表了一篇关于自然界花纹是怎样形成的论文,开创了一个全新的数学领域。论文中提出了一个由两种分子构成的系统,如果分子以恰当方式扩散反应,就会产生斑点或条纹。

他的数学方程显示,在统一的初始条件下,比如均匀分布没有花纹,分子浓度会自发地组织成一种重复性空间花纹。这一理论逐渐被人们接受,并用来解释一些简单花纹,如斑马条纹、沙丘波纹,但用在胚胎发育中还不太合适,还不能解释一些结构比如手指是怎么形成的。

新研究由ICREA教授詹姆斯夏普负责,UPF基因组调控中心多细胞系统生物学实验室提供数据。夏普说,本研究是对他们2012年《科学》杂志上一篇论文的补充,当时他们提出Hox基因和FGF信号能调节一个假设的图灵系统,但图灵所说的分子本身还未发现。而新研究揭示了在图灵系统发挥作用的信号分子。

据物理学家组织网7月31日报道,研究人员利用系统生物学方法,结合实验结果和计算机模型反复调整。他们筛选了多种不同的基因表达,最终发现了两个信号路径具有所需的活动模式:BMPs和WNTs,而且这两个信号路径通过一种非扩散性分子转录因子Sox9连接。随后他们逐渐构建了兼容所有数据的数学模型,并能用模型预测抑制两条路径的结果:抑制其中之一或同时抑制,会让手指形状发生怎样的改变。他们用培养的胚芽组织进行实验,胚胎上也会出现同样的手指形状,证明了他们的计算预测。