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原標(biāo)題：手指腳趾的形成也符合圖靈生物花紋理論

可用于解釋數(shù)百萬細(xì)胞怎樣最終形成心臟等器官

圖 手指也可以作為一種花紋,，就像許多動物身上的條紋和斑點一樣能用圖靈模型來預(yù)測,。

科技日報訊 最近，西班牙加泰羅尼亞高等研究院（ICREA）和龐培法布拉大學(xué)（UPF）科學(xué)家合作，通過實驗證明了手指和腳趾的形成也受圖靈60多年前提出的生物花紋形成機(jī)制的控制,。

“計算機(jī)科學(xué)之父”、英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈對數(shù)學(xué)生物學(xué)的貢獻(xiàn)同樣重大,，他于1952年發(fā)表了一篇關(guān)于自然界花紋是怎樣形成的論文,，開創(chuàng)了一個全新的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。論文中提出了一個由兩種分子構(gòu)成的系統(tǒng),，如果分子以恰當(dāng)方式擴(kuò)散反應(yīng),，就會產(chǎn)生斑點或條紋。

他的數(shù)學(xué)方程顯示,，在統(tǒng)一的初始條件下,，比如均勻分布沒有花紋，分子濃度會自發(fā)地組織成一種重復(fù)性空間花紋,。這一理論逐漸被人們接受,，并用來解釋一些簡單花紋,，如斑馬條紋、沙丘波紋,，但用在胚胎發(fā)育中還不太合適,，還不能解釋一些結(jié)構(gòu)比如手指是怎么形成的。

新研究由ICREA教授詹姆斯·夏普負(fù)責(zé),，UPF基因組調(diào)控中心多細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)實驗室提供數(shù)據(jù),。夏普說，本研究是對他們2012年《科學(xué)》雜志上一篇論文的補充,，當(dāng)時他們提出Hox基因和FGF信號能調(diào)節(jié)一個假設(shè)的圖靈系統(tǒng),，但圖靈所說的分子本身還未發(fā)現(xiàn)。而新研究揭示了在圖靈系統(tǒng)發(fā)揮作用的信號分子,。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月31日報道,，研究人員利用系統(tǒng)生物學(xué)方法，結(jié)合實驗結(jié)果和計算機(jī)模型反復(fù)調(diào)整,。他們篩選了多種不同的基因表達(dá),，最終發(fā)現(xiàn)了兩個信號路徑具有所需的活動模式：BMPs和WNTs，而且這兩個信號路徑通過一種非擴(kuò)散性分子——轉(zhuǎn)錄因子Sox9連接,。隨后他們逐漸構(gòu)建了兼容所有數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型,，并能用模型預(yù)測抑制兩條路徑的結(jié)果：抑制其中之一或同時抑制，會讓手指形狀發(fā)生怎樣的改變,。他們用培養(yǎng)的胚芽組織進(jìn)行實驗,，胚胎上也會出現(xiàn)同樣的手指形狀，證明了他們的計算預(yù)測,。

本研究的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理解手指發(fā)育,，回答了更廣泛的爭論：身體中數(shù)百萬的細(xì)胞是怎么自行運動排列，最終形成恰當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)——腎臟,、心臟及其他器官的,？它還挑戰(zhàn)了目前的主流觀點，劉易斯·沃爾伯特提出的“位置信息”論,，該理論認(rèn)為細(xì)胞知道自己要干什么,，因為它們都接受了自己的空間“配合”信息（類似于地圖上的經(jīng)度和緯度）。新研究論文中強(qiáng)調(diào),，在器官形成中,，局部自組織機(jī)制或許比人們以往認(rèn)為的更重要得多。

研究人員指出,，要想開發(fā)出有效的再生醫(yī)學(xué)策略,，必須正確理解多細(xì)胞器官，才可能為各個器官設(shè)計出替代組織,。這些發(fā)現(xiàn)也解釋了為何多指（趾）畸形是人類中一種普遍的先天缺陷,，在數(shù)學(xué)上,，圖靈系統(tǒng)調(diào)節(jié)“條紋”數(shù)量的模型比其他模型的精確性略低。（常麗君）