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.
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
Источник http://elementy.ru/news/430615
