科学家揭开人类手指脚趾形成之谜

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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。
本研究的影响远远超过理解手指发育，回答了更广泛的争论：身体中数百万的细胞是怎么自行运动排列，最终形成恰当的三维结构——肾脏、心脏及其他器官的？它还挑战了目前的主流观点，刘易斯·沃尔伯特提出的“位置信息”论，该理论认为细胞知道自己要干什么，因为它们都接受了自己的空间“配合”信息（类似于地图上的经度和纬度）。新研究论文中强调，在器官形成中，局部自组织机制或许比人们以往认为的更重要得多。
     
  
        
研究人员指出，要想开发出有效的再生医学策略，必须正确理解多细胞器官，才可能为各个器官设计出替代组织。这些发现也解释了为何多指（趾）畸形是人类中一种普遍的先天缺陷，在数学上，图灵系统调节“条纹”数量的模型比其他模型的精确性略低。



法国科学家发现人手指和脚趾的形成机制
法国蒙特利尔临床研究所（Institut de recherches cliniques de Montréal，IRCM）Marie Kmita博士和他的研究团队负责了一个多学科研究项目。该研究证实了我们手指和脚趾的形成机制。并且，该研究团队还证实，在鳍到四肢的过度进化中，有一个调控基因起到了至关重要的作用。该突破性的研究结果于今天发表在了赫赫有名的《科学》杂志（Science）上。
结合遗传研究和数学建模之后，科学家们为一个模型形成的模型理论（图灵模型）提供了实验证据。早在1952年，英国数学家、逻辑学家、密码学家，阿兰图灵（1912-1954）就为模型的形成提出了一个数学方程式。该模型描述了，均匀分布的物质（催化剂或一个阻遏剂）如何激发最初的等效细胞形成复杂的形状和结构。
该研究结果的共同作者，Kmita博士实验室的博士后Rushikesh Sheth说：“模型形成的图灵模型一直存在着争议，原因在于该模型缺乏实验数据的支持。通过对四肢发育过程中Hox基因（Hox genes，全名homeotic genes，同源基因或同源异型基因。是生物体中一类专门调控生物形体的基因，一但这些基因发生突变，就会使身体的一部分变形。）的研究，我们有史以来第一次发现，我们手指和脚趾形成的过程，是一个类图灵机制。”。
     
  
        
人和其他哺乳动物中，胚胎的发育是受到调控的，而调控这个基因的“工程师”就是一类被叫做Hox基因（Hox genes）的基因。这些基因对于身体的正确定位是必须的。它们规定着功能细胞形成正确的器官和骨骼。
法国蒙特利尔临床研究所主任博士Marie Kmita说：“我们的遗传研究表明，Hox基因是类图灵机制的调节器。该研究结果已经被我们的合作者James Sharpe博士和他研究团队的数学测试证实了。再者，我们的研究发现，大量降低小鼠中Hox基因后，小鼠的手指极端地发育成了鱼鳍。这些研究结果进一步支持了，Hox基因在鳍到四肢的过度进化中的关键作用。”。(