Как мутантные рыбки данио помогли раскрыть секрет их полос

Данио-рерио — один из самых изученных видов на планете. Однако происхождение их красивых чёрно-золотых полос оставалось загадкой. Новое исследование с помощью математического моделирования и детальных наблюдений за узорами мутантных рыбок помогло раскрыть один из старейших секретов природы.

Данио используются в более чем 600 лабораториях мира для изучения болезней от мышечной дистрофии до рака. Эти рыбки имеют позвоночник, сердце, печень, кости, глаза и почки, что делает их ценными для исследований.

Не менее важно, что эта выносливая рыбка позволяет изучать фундаментальные биологические процессы, генерирующие разнообразие узоров в природе. Эти узоры формируются расположением пигментов в специализированных клетках.

Полосы данио издали выглядят как длинные блоки чёрного или золотого пигмента, но при ближайшем рассмотрении состоят из тысяч отдельных точек. Каждая точка — это пигментная клетка. Три типа клеток создают узор: чёрные меланофоры, жёлтые ксантофоры и серебристо-синие иридофоры. Исследование было сосредоточено на понимании того, как взаимодействие этих клеток приводит к чередующимся полосам.

Доминирующей математической теорией, объясняющей формирование полос, является паттерн Тьюринга, названный в честь Алана Тьюринга. Согласно ей, два типа «агентов» (например, меланофоры и ксантофоры) случайным образом перемещаются и особым образом взаимодействуют, порождая узоры. Хотя модели выглядели убедительно, теория не была доказана для окраса животных.

Исследование показало, что механизм формирования узора сложнее простой модели Тьюринга. Помимо меланофоров и ксантофоров, ключевую роль играют иридофоры — отражающие клетки, придающие данио серебристый оттенок. Эксперименты подтвердили, что без иридофоров (или любого другого типа клеток) характерный полосатый узор не формируется правильно.

Мутантные данио

Чтобы выяснить, какие биологические явления критичны для формирования узора, а какие второстепенны, исследователи построили агентную модель. В этой компьютерной модели каждая клетка представлена как отдельный агент, способный двигаться и взаимодействовать с другими.

Модель включила в себя максимум известной биологии формирования узора у данио. После её настройки для воспроизведения узоров обычных рыбок, учёные перешли к мутантным данио (с генетическим дефектом, меняющим узор), и скорректировали правила модели, чтобы она могла воссоздать и их.

Другие мутантные данио, узоры которых изначально не использовались для построения модели, выступили в качестве независимых тестов её способности к воспроизведению. Успешное моделирование этих узоров укрепило уверенность в выведенных правилах.

Например, у мутанта «choker» дефект приводит к нарушению нормальной миграции серебристых иридофоров в кожу. Когда это аномальное поступление иридофоров внедрили в модель (сохранив все остальные правила), она точно воссоздала характерный лабиринтный узор, наблюдаемый у этих рыб.

Затем наступает самая интересная часть. Прелесть математического моделирования в том, что, будучи уверенными в биологической достоверности модели, можно задавать вопросы, на которые сложно ответить только экспериментами.

Так, удалось показать, что одна из причин горизонтальной ориентации полос у данио (в отличие от вертикальных полос у зебры) связана с характером роста тела во время формирования узора. Более быстрый рост вдоль оси голова-хвост (по сравнению с осью спина-брюхо) способствует вытягиванию групп пигментных клеток в горизонтальные полосы, а не в вертикальные.

Поскольку формирование паттернов — важная общая черта развития органов, это исследование может иметь медицинское значение. Лучшее понимание формирования пигментных узоров может дать представление о болезнях, вызванных дефектами в расположении клеток.

Рабочая математическая модель открывает безграничные возможности для изучения формирования пигментных узоров у данио и других видов. Следующая цель — исследовать эволюционное происхождение формирования полос в обширном семействе рыб Danio, к которому принадлежит и данио-рерио (Danio rerio). Это поможет глубже понять, как данио действительно получили свои полосы.