Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.982 RSS
←   Октябрь 2007   →
 1
01.10.2007
07:34:12
13:49:31
 2
 3
03.10.2007
04:57:16
15:56:39
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней 1 выпусков (1 раз в 2 месяца)


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.982 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Разгадан механизм регуляции роста коренных зубов


Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Разгадан механизм регуляции роста коренных зубов

19.10.2007

Златобрюхая бобровая крыса — крупный грызун длиной 20-35 см и до 1,5 кг весом с  перепончатыми лапами, обитает в болотах, реках, озерах и морских побережьях, питается лягушками, моллюсками, рыбами, может утащить и яйца уток, и даже птенца. У них кроме резцов имеется крупный первый коренной зуб и маленький второй. А третьего моляра нет вовсе: он не развивается из-за большого количества ингибиторного белка, выделяемого растущими первым и вторым моляром. (Рис. с сайта commons.wiki.dorotka.info)

Златобрюхая бобровая крыса — крупный грызун длиной 20-35 см и до 1,5 кг весом с  перепончатыми лапами, обитает в болотах, реках, озерах и морских побережьях, питается лягушками, моллюсками, рыбами, может утащить и яйца уток, и даже птенца. У них кроме резцов имеется крупный первый коренной зуб и маленький второй. А третьего моляра нет вовсе: он не развивается из-за большого количества ингибиторного белка, выделяемого растущими первым и вторым моляром. (Рис. с сайта commons.wiki.dorotka.info)

Финские ученые разгадали механизм регуляции роста коренных зубов млекопитающих. Оказалось, что темпы роста и размер моляров зависят от количества белка-активатора, который выделяется клетками челюсти, и белка-ингибитора, который выделяется растущим зубом. Таким образом, каждый растущий зуб определяет размер последующего. Это удалось подтвердить экспериментами и данными по соотношению зубов у мышиных грызунов.

Примерно год назад появилось сообщение о том, что японским ученым удалось вырастить в пробирке зуб и потом вживить его в челюсть 8-недельному мышонку (см. Takashi Tsuji et al. The development of a bioengineered organ germ method // Nature Methods. 2007. V. 4. P. 227–230). Зуб отлично прирос, то есть в нем сформировались кровеносные сосуды, нервы, необходимые для функционирования нормального живого зуба. Всем ясно, какие перспективы у этого эксперимента. Он показывает принципиальную возможность замены потерянного зуба на его выращенный в пробирке аналог.

Но, естественно, от принципиальной возможности до практического исполнения в рядовой клинике лежит долгий научный путь. Один из ключевых вопросов — как управлять процессом формирования зуба. Для этого нужно в деталях понять, как регулирует рост зуба сам организм млекопитающего. Известно, что развитием зуба управляет целый блок генов, которые экспрессируются и в челюсти, и в самом зубе. Однако генные механизмы регуляции одонтогенеза (то есть развития зубов) пока в точности не известны. Кроме того, ученые не склонны всю регуляторику сваливать на гены.

Группа финских ученых, работающих в Институте биотехнологии Хельсинкского университета и на факультете экологии и эволюции Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (США), экспериментально вывела алгоритм регуляции развития коренных зубов, который работает у всех грызунов (ученые предполагают, что вообще у всех млекопитающих).

У млекопитающих, за редким исключением, имеется по три коренных зуба справа и слева в верхней и нижней челюсти. Они развиваются всегда от центра к периферии. Сначала прорезается первый коренной зуб, затем мезенхимные клетки челюсти посылают сигнал о начале роста второго коренного зуба. И тогда от первого коренного зуба отпочковывается зачаток второго коренного зуба. Одновременно первый моляр вырабатывает биохимические факторы, тормозящие развитие второго зуба.

Таким образом, развитие второго зуба контролируется двумя противодействующим силами: силой активирующего сигнала от мезенхимы челюсти и силой тормозящего сигнала от растущего первого моляра. От их соотношения и будет зависеть размер второго зуба. На определенной стадии развития второго моляра от него отрастает назад зачаток третьего моляра. Сроки закладки этого зачатка и размер третьего моляра опять-таки зависят от силы мезенхимного активатора и тормозящего сигнала, посылаемого вторым моляром. То есть темпы роста коренных зубов и их размеры зависят от разницы между количеством активатора и ингибитора. (Косвенно об этом свидетельствует и такой факт: мутации, блокирующие фактор-ингибитор, приводят к образованию дополнительных моляров или дополнительных бугорков на коронках.)

Развивающийся зуб определяет судьбу следующего за ним зуба, а тот, в свою очередь контролирует судьбу следующего. И не требуется никаких особых наборов генов на каждый зуб. Теоретически, для регуляции развития всех моляров достаточно двух генов: один отвечает за количество мезенхимного активатора, а другой включает выработку ингибитора в развивающемся зубе. В действительности, при росте зубов работает не один такой ингибитор, а несколько, например эктодин (Ectodin) и фоллистатин (Follistatin).

Чтобы доказать этот гипотетический каскадный механизм регуляции формирования моляров, были выполнены остроумные эксперименты. Суть их состоит в следующем. Зачатки эмалевого органа мышей — зачаточная ткань, из которой развиваются зубы у млекопитающих, — выращивали в культуре (см. обзор о культивировании зубов млекопитающих «Зубы из пробирки»). Зубные зачатки первого моляра, как и положено, отпочковали второй моляр. В этот момент зачаток второго моляра отделили от первого, и он дальше развивался самостоятельно. Осталось сравнить скорости развития второго моляра у неотделенных и отделенных вторых моляров и сроки закладки третьих моляров.

По идее, отделенные вторые моляры должны расти быстрее, потому что на них не действуют ингибиторы первого моляра. Как и предполагалось, отделенные зачатки вторых моляров развивались быстрее и становились больше, чем те, что находились в паре с первым моляром. Также у них и закладка третьих моляров происходила на несколько дней раньше, чем у пары первый—второй моляр. Третьи моляры, спаренные с отделенными вторыми молярами, тоже достигали сравнительно больших размеров, чем их аналоги в нормальной триаде моляров. Ясно, что как только устранили тормозящий эффект первого моляра, рост значительно ускорился.

а — закладка моляров у мышей. На 14-й день развития эмбриона от первого моляра (М1) начинает отпочковываться второй (М2). На 16-й день М2 уже вполне оформлен. Белым треугольником показано место, где позже отпочкуется третий моляр. б — схема одного из экспериментов. Верхний ряд — развитие М1 и М2 in vivo (у живых мышей). При выращивании в культуре (in vitro) первый моляр развивался нормально, однако «отпочковывание» второго моляра задержалось (средний ряд). Это объясняется пониженным количеством активаторов, выделяемых мезенхимой челюсти при выращивании в культуре (голубые стрелки). Если зачаток M2 отделить от M1 (нижний ряд), то M2 развивается нормально, поскольку недостаток активаторов компенсируется отсутствием ингибиторов, выделяемых первым моляров. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
а — закладка моляров у мышей. На 14-й день развития эмбриона от первого моляра (М1) начинает отпочковываться второй (М2). На 16-й день М2 уже вполне оформлен. Белым треугольником показано место, где позже отпочкуется третий моляр. б — схема одного из экспериментов. Верхний ряд — развитие М1 и М2 in vivo (у живых мышей). При выращивании в культуре (in vitro) первый моляр развивался нормально, однако «отпочковывание» второго моляра задержалось (средний ряд). Это объясняется пониженным количеством активаторов, выделяемых мезенхимой челюсти при выращивании в культуре (голубые стрелки). Если зачаток M2 отделить от M1 (нижний ряд), то M2 развивается нормально, поскольку недостаток активаторов компенсируется отсутствием ингибиторов, выделяемых первым моляров. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Ученые решили проверить, насколько приложима эта простая каскадная схема регуляция к другим представителям мышиных. Ведь если работает правило сложения активации-ингибирования, то соотношение размеров моляров не может быть случайными. Если второй моляр больше первого, то это означает, что ингибитора немного, и третий моляр будет еще больше второго. А если первый моляр большой, а второй маленький, то это означает, что ингибирование усилено, и третий моляр должен быть совсем маленький. В крайнем случае третий моляр не вырастает вовсе. Действительно, у представителей мышиных соотношение моляров хорошо укладывается в эту модель. А у бобровой крысы (Hydromys chrysogaster) имеется упомянутый крайний вариант: у нее очень большие первые моляры, маленькие вторые моляры, а третьих вообще нет.

Каскадная модель регуляции роста моляров объясняет одну известную, но доселе загадочную закономерность: у всех приматов второй моляр всегда занимает ровно треть молярного пространства челюсти. Относительный размер второго моляра (а — количество активатора, и — количество ингибитора) равен:

М2 / (М1 + М2 + М3) = (а/и) / [1 + а/и + (2а/и – 1)] = 1/3

Так что модель предсказывает, что относительный размер второго моляра постоянен не только у приматов, но и у всех других млекопитающих.

Несмотря на очевидную практическую значимость открытия каскадной регуляции развития зубов, авторы склонны подчеркивать скорее теоретическое значение своего открытия. Их рассуждения уводят нас в область механизмов эволюции. Эволюция распределила множество видов грызунов по различным экологическим нишам: тут и питание различной пищей, и разные местообитания. В соответствии с типами питания у них различаются и зубы.

Однако, как выяснилось, развитие и эволюцию зубов определяют не случайные мутации, «подправляющие» их форму и размер. Форму и размер зубов (читай — тип пищи) определяет жестко заданное в онтогенезе соотношение активатора и ингибитора. Так что эволюция группы идет в пределах некоторого заранее заданного диапазона разрешенных онтогенезом вариантов. При этом добавление к каскадной регуляции еще одного переключателя может перевести онтогенез на другое направление, и это будет означать появление нового большого таксона.

Идея о том, что закономерности онтогенеза канализируют (направляют) эволюцию, резко ограничивая число возможных эволюционных преобразований, развивается в фундаментальном труде И. И. Шмальгаузена Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии (см. также: Эпигенетическая теория эволюции).

Источник: K. D. Kavanagh, A. R. Evans, J. Jernvall. Predicting evolutionary patterns of mammalian teeth from development // Nature, 2007. V. 449. P. 427–433.

Елена Наймарк

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

18.10 Лингвистическая эволюция сходна с биологической

Применив к анализу индоевропейских языков методики, разработанные для изучения эволюции видов, биологи подтвердили известную лингвистическую закономерность, что слова в языке изменяются тем быстрее, чем реже они используются. Так же и в биологии: наименее важные морфологические признаки и участки генома обычно подвержены самым быстрым эволюционным изменениям.

17.10 Механизм неменделевской наследственности остается загадочным

Американским генетикам удалось идентифицировать один из белков, необходимых для поддержания «парамутантного» состояния гена pl1, от которого зависит окраска пыльников у кукурузы. Открытие показало, что парамутация — весьма сложное явление, в регуляции которого участвует множество специализированных молекул РНК и белков.
В избранное