Теория морфогенеза Алана Тьюринга

1.

Задача#5
nonSTop
[ВГМУ
им.Н.Н.Бурденко]
Чуян А.О.
Теория морфогенеза Алана Тьюринга находит подтверждение
во многих работах современных ученых. Как в скором будущем
можно использовать теорию Тьюринга для исправления
врожденных аномалий развития (например, фокомелии)?
Четко опишите главные принципы предложенного Вами
метода. Какие условия необходимы, чтобы Ваша идея могла
быть реализована на практике?

2.

Цель:
Предложить перспективный метод
исправления врожденных аномалий
развития

3.

Задачи:
1) Обосновать механизм действия предложенного
метода на примере конкретного заболевания
2) Предложить возможный алгоритм реализации
идеи на практике

4.

Теория морфогенеза
Алана Тьюринга
В 1952 году Алан Тьюринг,
английский математик,
известный своими работами
в области криптографии
и информатики, опубликовал
работу под названием
«Химические основы
морфогенеза».
В своей работе он привел математическую модель, в которой
два вещества (морфогена) могут создавать разнообразные
сложные структуры путем самоорганизации.

5.

Теория морфогенеза
Алана Тьюринга
В тканях имеется два
вещества, которые
распространяются с
разной скоростью и
взаимодействуют
друг с другом
АКТИВАТОР
ИНГИБИТОР
В основе модели Тьюринга лежит реакционнодиффузионный механизм

6.

Теория морфогенеза
Алана Тьюринга
В тканях имеется два
вещества, которые
распространяются с
разной скоростью и
взаимодействуют
друг с другом
АКТИВАТОР
ИНГИБИТОР
В основе модели Тьюринга лежит реакционнодиффузионный механизм

7.

Теория морфогенеза
Алана Тьюринга
В тканях имеется два
вещества, которые
распространяются с
разной скоростью и
взаимодействуют
друг с другом
АКТИВАТОР
ИНГИБИТОР
В основе модели Тьюринга лежит реакционнодиффузионный механизм

8.

Такая система в зависимости от параметров
(силы взаимных влияний и скоростей
диффузии)
Спонтанно порождает разнообразные «рисунки»
изменения концентраций в пространстве (как
подвижных, вроде бегущих волн, так и стационарных).

9.

Предполагается, что реакционно-диффузионные
механизмы лежат в основе формирования пятен на
шкуре леопарда, полосок зебры и других
замысловатых узоров и орнаментов

10.

Новое исследование, выполненное биологами из Испании,
Канады и США, показало, что реакционно-диффузионный
механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.
Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев,
состоит из трех компонентов
Wnt
Bmp
Sox9

11.

Новое исследование, выполненное биологами из Испании,
Канады и США, показало, что реакционно-диффузионный
механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.
Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев,
состоит из трех компонентов
ингибирует рост
ткани между
пальцами, отвечает за
толщину пальцев,
промежутки между
ними
активирует в
зачатках пальцев
рост самих пальцев
основной
транскрипционный
фактор

12.

Новое исследование, выполненное биологами из Испании,
Канады и США, показало, что реакционно-диффузионный
механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.
Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев,
состоит из трех компонентов
ингибирует рост
ткани между
пальцами, отвечает за
толщину пальцев,
промежутки между
ними
активирует в
зачатках пальцев
рост самих пальцев
основной
транскрипционный
фактор
организация паттерна из полос

13.

Также следует учитывать влияние FGF и Hoxd13,
которые участвуют в формировании пальцев
• FGF образует градиент в зачатке конечности,
концентрируясь на кончиках будущих пальцев
и увеличивая расстояние между зонами экспрессии Wnt
и Sox9. Это объясняет то, почему наши пальцы немного
расходятся, а не расположены параллельно друг другу.
• Hox-гены
(в частности Hoxa13 и Hoxd11-13) считаются
важными регуляторами процесса формирования
пальцев. При их отключении число пальцев может
увеличиваться

14.

FGF
Hoxd13
организация паттерна из полос с зонами
формирования пальцев

15.

Компьютерное моделирование формирования пальцев
на основе модели взаимодействия Bmp, Wnt и Sox9
Sox9 (красный) формирует случайно
ориентированные полосы, когда
в моделировании не учитываются другие
факторы.

16.

Компьютерное моделирование формирования пальцев
на основе модели взаимодействия Bmp, Wnt и Sox9
Добавление в модель влияния Hoxd13
приводит к тому, что Sox9 формирует
четкие параллельные полосы, но при
этом также возникает ветвление пальцев
(отмечено стрелкой).

17.

Компьютерное моделирование формирования пальцев
на основе модели взаимодействия Bmp, Wnt и Sox9
Под влиянием FGF формируются
радиально идущие полосы Sox9.

18.

Компьютерное моделирование формирования пальцев
на основе модели взаимодействия Bmp, Wnt и Sox9
Совместное влияние FGF и Hoxd13 на систему
Sox9-Bmp-Wnt приводит к появлению пяти полос
Sox9, соответствующих зонам будущих пальцев

19.

• При удалении Bmp из системы Sox9 не будет активен,
и пальцы не будут формироваться.
• Если отключить Wnt, Sox9 будет активен везде,
и промежутков между пальцами не появится.
• Если же одновременно убрать Bmp и Wnt, то Sox9 будет
формировать полосы, но их число уменьшится.

20.

Таким образом, доказано, что совместная работа трех
найденных морфогенов Тьюринга приводит к формированию
пяти пальцев.
Число пальцев зависит от физических закономерностей,
описывающихся моделью Тьюринга: скорости, с которой
молекулы-морфогены распространяются по ткани, силе
их взаимодействия и скорости роста зачатка конечности.
Если молекулы будут диффундировать быстрее, промежуток
между пальцами будет увеличиваться, поэтому пальцев
станет меньше. Если зачаток конечности станет больше
на 20%, а все остальное останется прежним, неожиданно
появится место для еще одного пальца. Такие случаи часто
встречаются среди животных и людей и известны
как полидактилия.

21.

Применение теории Тьюринга можно найти в
лечении врожденных пороков кисти
Наиболее часто встречающиеся врожденные аномалии развития кисти можно
объединить в следующие клинические группы:
• Гипоплазии – относятся все аномалии, сопровождающиеся разной степенью
недоразвития анатомических структур кисти – скелета, мышц, сосудов, сухожилий,
суставно-связочного аппарата: синдактилия, брахидактилия, камптодактилия,
амниотические деформации, эктродактилия, олигодактилия, гипоплазия большого
пальца.
• Гиперплазии – объединены все врожденные аномалии, сопровождающиеся
наличием добавочных анатомических структур или их гипертрофии: полидактилия,
гиперфалангия, макродактилия, гигантизм, слоновость.
• Синдромы – выделены все врожденные аномалии кисти гипо- и
гиперпластического типа в сочетании с комплексом типичных врожденных
дефектов развития других локализаций организма: артромиодисплазия,
акроцефалосиндактилия, окулодентодигитальный, орофациодигитальный,
остеоониходисплазия, а также синдромы: Робена, Поланда, Марфана, Шарко-МариТута, Маффучи и др.

22.

• В качестве примера используем брахидактилию
Брахидактилия – врожденное недоразвитие кисти, укорочение или
отсутствие одной или нескольких фаланг (брахифалангия), изолированное или
множественное укорочение пястных костей (брахиметакарпия).
Для предотвращения развития данного порока
необходимо в критичный для верхней конечности
период эмбриогенеза (с 4 по 8 неделю)
обеспечить три волны концентраций
морфогенов, отвечающих за нормальное развитие
кисти, в области зачатков верхних конечностей
Wnt
FGF
Hoxd13
Bmp
Sox9

23.

Для реализации данного метода необходимо
множество условий:
1) Раннее прогнозирование рождения ребенка с врожденным пороком
кисти (совершенствование службы медико-генетической консультации)
2) Применение ранее описанного метода корректировки
формирующихся пороков кисти при помощи ЛС в форме капсулыимпланта, содержащей синтезированные при помощи биоинженерии
Wnt, Bmp, Sox9, FGF, Hoxd13, обеспечивающей непрерывные волны
концентраций вышеуказанных веществ-морфогенов.
3) В случае увеличения количества пальцев, свыше 5 (как пример),
произошедшего при неудачном подборе дозы – хирургическая
корректировка.
4) Дозировка определяется индивидуально, при помощи компьютерного
моделирования.

24.

Вывод:
Применение теории Тьюринга в исправлении врожденных
аномалий человека обладает большой перспективой,
учитывая то, что не требуется вмешательств в генотип
человека и есть возможность корректировать развитие
любых органов и частей тела и предотвращать развитие
аномалий, если выяснены необходимые морфогены.

25.

Список используемой литературы
1. Alan Mathison Turing. The Chemical Basis of Morphogenesis // Philosophical
Transactions of the Royal Society of London.Series B, Biological Sciences. V. 237.
No. 641 (Aug. 14, 1952). Pp. 37–72.
2. Shigeru Kondo, Takashi Miura. Reaction-Diffusion Model as a Framework for
Understanding Biological Pattern Formation // Science. 2010. V. 329. P. 1616–1620.
3. Белинцев Б.Н. Диссипативные структуры и проблемы биологического
формообразования. // Успехи физических наук, 1983, т. 141, вып. 1, с. 55-101.
4. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическая
биофизика. - М.: Наука, 1984. И. Эпстейн, К. Кастин, П. де Кеппер,
М. Орбан. Колебательные химические реакции, "В мире науки", 1983, № 5, с. 72.
5. Jing Zhang, Purva Wagh, Danielle Guay, Luis Sanchez-Pulido, Bhaja K. Padhi,
Vladimir Korzh, Miguel A. Andrade-Navarro, Marie-Andrée Akimenko. Loss of fish
actinotrichia proteins and the fin-to-limb transition // Nature. Advance online
publication 23 June 2010.
6. Raspopovic J., Marcon L., Russo L., Sharpe J. (2014). Digit patterning is controlled
by a Bmp-Sox9-Wnt Turing network modulated by morphogen
gradients. Science 345, 566–570;