В 1999 году в аквариуме любителя тропических рыб в Великобритании вылупилась рыба-клоун (Amphiprion ocellaris). Эти рыбы ценятся за свой уникальный окрас: три прямые белые полосы, окаймленные тонкой черной линией. Но рыба из Великобритании была особенной: вместо обычных прямых полос у нее были волнистые, гофрированные узоры, симметричные с обеих сторон. Узоры передавались по наследству из поколения в поколение, что привело к появлению подвида под названием «Снежинка», но механизм, вызывающий такой необычный окрас, оставался загадкой.
Спустя два десятилетия исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) наконец-то 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.
«В теории все должно быть просто, — говорит профессор Венсан Лоде, автор работы. — Но на практике это загадка. Как клетка понимает, какой ей быть — черной, белой или оранжевой, — и при этом последовательно создает четко организованные узоры на макроуровне? Снежинка не только указала нам на генетический механизм, но и предложила универсальную схему для изучения формирования узоров у разных видов».
Рыбы-снежинки похожи на других рыб-клоунов во всех отношениях, кроме необычного окраса, что делает их идеальными модельными организмами для изучения генетики пигментации. Чтобы понять, почему они выглядят именно так, исследователи обратились к другой рыбе. У рыбок данио хорошо изучены горизонтальные линии, которые остаются пропорциональными по размеру и расположению по мере роста рыбы. Благодаря другому мутантному виду — «леопардовой» данио-рерио, у которой вместо полосок появляются пятна, — исследователи ранее определили один из генов, участвующих в формировании паттерна. Он кодирует специфический белок щелевых контактов, который, по сути, служит своеобразным телефонным проводом между клетками, позволяя им обмениваться информацией в виде электрического тока и небольших молекул.
Когда команда сравнила геномы Снежинки и обычной рыбы-клоуна, они обнаружили поразительное сходство. Лоде говорит: «Мы сразу поняли, что у Снежинки мутация в том же гене, что и у Леопарда!»
Однако это открытие породило больше вопросов, чем дало ответов. Считалось, что у рыбок данио белок щелевых контактов отвечает за формирование так называемого паттерна Тьюринга. Эта модель, названная в честь знаменитого британского математика Алана Тьюринга, описывает, как белок способствует формированию полос, подавляя ближние контакты и стимулируя дальние взаимодействия между пигментными клетками, что приводит к формированию однородных узоров у рыбок данио.
Однако модель Тьюринга не могла объяснить формирование окраски у рыб-клоунов, поскольку последовательность и расположение их полос остаются неизменными на протяжении всей жизни. Это означает, что информация передается для того, чтобы определить, где и когда должна образоваться полоса. Первый автор исследования, доктор Марлин Кланн из отдела морской экоэволюционной биологии, продолжает: «Мы обнаружили, что белок щелевых контактов не является специфичным для формирования окраски по Тьюрингу у рыбок данио, и показали, что он в целом обеспечивает четкую межклеточную коммуникацию». Очевидно, что они гораздо древнее, чем мы думали: пресноводные данио-рерио и морские рыбы-клоуны разделились более 200 миллионов лет назад.
Это ключевое доказательство указывает на универсальный биологический механизм организации пограничных клеток. Чтобы лучше понять принципы организации клеток, отвечающих за пигментацию у рыб-клоунов, ученые обратились к другой области — физике мембран. Они обнаружили, что так называемая модель Эдвардса — Уилкинсона — это простейшая из возможных моделей, которая точно описывает формирование и разрушение четкой границы между клетками, отвечающими за пигментацию, у рыб-клоунов и других организмов.
«Модель описывает две силы, — объясняет соавтор исследования профессор Симоне Пиголотти. — Одна из них — поверхностное натяжение, которое способствует формированию гладкой мембраны. Другая — шум, который оказывает противоположное воздействие. Баланс между этими двумя силами определяет степень гофрированности мембраны и характер пигментации».
«Модель — это универсальный инструмент, который позволяет осмыслить наши наблюдения, а также дает подсказки о том, где искать дальше, в том числе среди разных видов, что, в свою очередь, может помочь выявить закономерности. Это положительная обратная связь между теорией и экспериментами», — говорит Пиголотти.
Лоде заключает: «Благодаря Снежинке и нашей трансгенной рыбе-анемоне, которую мы успешно вывели совместно с профессором Масато Киношитой из Киотского университета, мы стали на шаг ближе к пониманию удивительно сложных механизмов, лежащих в основе такой, казалось бы, обыденной задачи, как организация клеток».
[Фото: Andrew Scott / OIST (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University)]
