來自英國倫敦國王學(xué)院的研究人員首次提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)一名偉大的英國數(shù)學(xué)家關(guān)于諸如虎紋或豹斑之類的生物圖案如何形成的理論,。這些研究結(jié)果發(fā)表在《自然-遺傳學(xué)》期刊上。
這項(xiàng)研究不僅證實(shí)一種可能在脊椎發(fā)育中發(fā)揮極其重要作用的機(jī)制,，而且還確信控制這些圖案形成的稱作成形素(morphogen)的化學(xué)物也能夠用于再生醫(yī)學(xué)中將干細(xì)胞分化為組織,。
這些研究發(fā)現(xiàn)提供證據(jù)支持一種著名的譯碼員和數(shù)學(xué)家Alan Turing在20世紀(jì)50年代首次提出的一種理論[1],。他提出一種觀點(diǎn)：生物系統(tǒng)中有規(guī)則的重復(fù)圖案是由一對成形素產(chǎn)生的。這對成形素當(dāng)中一個作為“激活物”和另一個作為“抑制物”,，兩者一起發(fā)揮作用,。
為了測試這種理論，研究人員研究了在小鼠上腭中發(fā)現(xiàn)的有規(guī)則性地間隔排布的齒板的發(fā)育,。研究小組在小鼠胚胎上開展實(shí)驗(yàn),，鑒定出一對成形素相互配合影響每根齒板在哪兒形成。這兩種化合物控制彼此的表達(dá),，激活和抑制彼此的產(chǎn)生,，因而控制齒板圖案的產(chǎn)生。
研究人員能夠鑒定出兩種特異性的成形素參與這種過程---FGF(Fibroblast Growth Factor, 成纖維細(xì)胞生長因子)和Shh(Sonic Hedgehog, 音猬因子),。他們證實(shí)當(dāng)這些成形素的活性增加或下降時,，小鼠上腭齒板(the ridges in the mouth palate)圖案按照Turing方程式預(yù)測的那樣受到影響,。這是第一次鑒定出實(shí)際的成形素參與這種過程,，研究人員也就能夠精確地觀察Turing提出的理論所預(yù)測的影響,。
來自倫敦國王學(xué)院牙科研究所顱面發(fā)育部門的Jeremy Green教授說，“規(guī)則性間隔排布的結(jié)構(gòu),，從脊椎和毛囊到老虎或斑馬魚的斑紋,，是生物學(xué)中的一種基本圖案模式?？茖W(xué)家已提出幾種關(guān)于自然中圖案如何形成的理論,，但是直到現(xiàn)在只有Turing提出的機(jī)制存在著相關(guān)證據(jù)。我們的研究首次通過實(shí)驗(yàn)鑒定出一種激活物-抑制物系統(tǒng)在斑紋的產(chǎn)生中發(fā)揮作用,，在這種研究中,，這種斑紋存在于小鼠上腭齒板中。”
“盡管齒板在享受和品嘗食物中發(fā)揮著重要作用,，但是它并沒有很大的醫(yī)學(xué)價值,。然而，它們在驗(yàn)證Alan Turing在20世紀(jì)50年代首次提出的激活物-抑制物理論模型中極其有價值,。”
“這項(xiàng)研究不僅證實(shí)諸如斑紋之類的圖案是如何形成的,，而且它還確信這兩種成形素能夠用于未來的再生醫(yī)學(xué)以便當(dāng)干細(xì)胞分化為其他組織時再生不同的結(jié)構(gòu)和圖案。”
“因?yàn)?012年是Turing的百年誕辰紀(jì)念日,，所以這項(xiàng)證實(shí)他的理論是正確的研究是送給這位偉大的數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的最合適的禮物,。” (生物谷：towersimper編譯)
譯者注：
[1]：該理論首次發(fā)表在Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B期刊上：A. M. Turing, "The Chemical Basis of Morphogenesis", 14 August 1952 vol. 237 no. 641 37-72, doi: 10.1098/rstb.1952.0012.
doi:10.1038/ng.1090
PMC:
PMID:
Periodic stripe formation by a Turing mechanism operating at growth zones in the mammalian palate
Andrew D Economou, Atsushi Ohazama, Thantrira Porntaveetus, Paul T Sharpe, Shigeru Kondo, M Albert Basson, Amel Gritli-Linde, Martyn T Cobourne & Jeremy B A Green
We present direct evidence of an activator-inhibitor system in the generation of the regularly spaced transverse ridges of the palate. We show that new ridges, called rugae, that are marked by stripes of expression of Shh (encoding Sonic hedgehog), appear at two growth zones where the space between previously laid rugae increases. However, inter-rugal growth is not absolutely required: new stripes of Shh expression still appeared when growth was inhibited. Furthermore, when a ruga was excised, new Shh expression appeared not at the cut edge but as bifurcating stripes branching from the neighboring stripe of Shh expression, diagnostic of a Turing-type reaction-diffusion mechanism. Genetic and inhibitor experiments identified fibroblast growth factor (FGF) and Shh as components of an activator-inhibitor pair in this system. These findings demonstrate a reaction-diffusion mechanism that is likely to be widely relevant in vertebrate development.
