1952 年、暗号解読と人工知能の研究で最もよく知られている英国の数学者であるアラン チューリングは、同性愛行為に関与したとして有罪判決を受け、化学的去勢を宣告されました。その個人的なドラマの中で、彼はまだ時間を見つけて、自然界で定期的に繰り返されるパターンの数学に関する先見の明のある論文を発表しました。これは、トラやゼブラフィッシュの縞模様、ヒョウの斑点、ワニの歯の列の間隔に適用できます。 、いくつか例を挙げると。
60年以上経った今、生物学者は、チューリングが論文で提案したパターン形成メカニズムの証拠を明らかにしており、遺伝子が最終的にどのように手を作るかなどの発達上の問題に光を当てる可能性を秘めた、それらへの関心の復活を促しています.キングス・カレッジ・ロンドンの発生生物学者であるジェレミー・グリーンは、「その構造はそこにあります。 「生物学を理解するには、数学に化学を加える必要があるだけです。」
1952 年の論文につながった研究のために、チューリングは自然なパターンを生成する根底にあるメカニズムを理解したいと考えていました。彼は、ボックス内のガス原子と同じようにシステム全体に広がる2つの化学物質間の相互作用の結果として、スポットなどのパターンが形成されることを提案しましたが、1つの決定的な違いがあります。チューリングが「モルフォゲン」と呼んだ化学物質は、気体のように均一に拡散するのではなく、異なる速度で拡散します。 1 つはトラの縞模様のような独特の特徴を表現する活性化因子として機能し、もう 1 つは抑制因子として機能し、定期的に作動して活性化因子の表現をシャットダウンします。
チューリングのアイデアを説明するために、オックスフォード大学の数理生物学の名誉教授であり、プリンストン大学の応用数学者であるジェームズ・マレーは、バッタが点在する乾いた草地を想像しました。マレー氏によると、草が無作為にいくつかの点で火をつけられ、炎を抑える湿気がなければ、火は畑全体を焦がすだろう.しかし、このシナリオがチューリング メカニズムのように展開された場合、侵入する炎からの熱により、逃げるバッタの一部が汗をかき、周囲の草を湿らせ、それによって、そうでなければ燃えたフィールドに定期的に燃えていないスポットが作成されます.
この概念は興味をそそられましたが、投機的でした。チューリングは論文の出版から 2 年後に亡くなりました。 「彼は実際にそれを実際の生物学的問題に適用しませんでした」とマレーは言いました. 「これは主に、分析問題を探している数学者にとって恩恵でした。」
1970 年代には、チューリング機構を使用して斑点や縞模様などのパターンを再現することに成功した理論研究とコンピューター モデリングが急増しましたが、分子生物学は、研究者が活性化剤および阻害剤として機能する特定の分子を特定できるレベルにはほど遠いものでした。
最新の研究は、チューリング型メカニズムが、マウスの毛包と鳥の皮膚の羽芽の間の間隔、マウスの口蓋に形成される尾根、およびマウスの足の指に関与している可能性があることを示唆しています.
一部の生物学者は、特にユニバーシティ カレッジ ロンドンの名誉発生生物学者であるルイス ウォルパートによって提案されたものを含む他の実行可能なモデルがあるため、チューリング メカニズムがこれらの周期的なパターンを説明するのに十分であることに懐疑的です。 Wolpert のモデルでは、細胞はそれぞれのモルフォゲンの量に基づいて空間内での位置を解釈し、結果としてストライプ、スポット、または数字になります。さらに、Wolpert 氏は、「開発中のチューリング メカニズムで機能する分子を特定した人はまだ誰もいません」と述べています。
実験的同定の欠如は、チューリング支持者にとって最も深刻な障害でしたが、それは変わり始めています。昨年、グリーンと彼の同僚は、活性化剤と阻害剤として作用する 2 つの化学物質を特定し、マウス胚の口蓋に見られる規則的な間隔の隆起を生じさせました。線維芽細胞増殖因子 (FGF) と呼ばれるタンパク質が活性化因子として機能し、ソニック ヘッジホッグ (Shh ）阻害剤として働きます。研究者がこれらの化学物質の活性を増減させると、チューリングの方程式が予測したとおりに尾根のパターンが影響を受けました。
生物学は厄介で複雑で、多くの交絡因子があるため、あるパターンがチューリング メカニズムに起因することを実験的に証明することは困難です。そこでグリーンと彼のチームは隆起部の 1 つを取り除き、隆起部の間のスペースを増やしました。チューリング機構がなければ、代わりの尾根が形成されていたでしょう。代わりに、研究者は余分な尾根が分岐パターンで飛び出し、空間を埋めているのを見ました。これは、チューリングのモデルの特徴です。
任意の数のシステムに適用できるチューリング メカニズムは、ほとんど一般的すぎます。研究者は、捕食者-被食者モデルなどの生態系における種の分布におけるチューリングのような特徴を特定しました。このモデルでは、被食者が活性化因子として機能し、繁殖して数を増やしようとしますが、捕食者は阻害剤として働き、個体数を維持します。小切手。ニューロンもまた、脳内の近くにある他のニューロンの発火を促進または抑制して、活性化因子または阻害因子として数学的に説明できます。
「活性化因子と抑制因子として作用するプロセスが 2 つある場合、それらから常に周期的なパターンを得ることができます」とグリーン氏は、例として砂丘に形成される波紋を指摘しました。 「明らかに、そこには拡散モルフォゲンが働いていません。プロセスには、拡散関数を使用して表現できるプロパティがあるだけです。」
チューリングは、彼の最初の論文で、「このモデルは単純化と理想化であり、結果的に改ざんになるだろう」と認めています。これは必ずしもモデルが間違っていることを意味するわけではありませんが、チューリング メカニズムに従うと思われるシステムの動作を特定することから、活性化因子および抑制因子として機能する特定の物理プロセスを特定することへと移行することは困難です。たとえば、ゼブラフィッシュの縞模様を使った実験では、それらがチューリングメカニズムから発生することが示されていますが、システム全体に広がる化学物質を分泌するのではなく、魚には活性化因子と抑制因子として同じ目的を果たす 2 種類の細胞があります。アクチベーター/インヒビターの役割を果たす可能性が最も高い分子は、細胞膜にのみ埋め込まれ、分泌されません。したがって、このメカニズムが機能するには、細胞が互いに接触している必要があります。
確かに、チューリング モデルには欠点があります。チューリング メカニズムだけでは、自然のパターンのスケーリングを説明することはできません。ニワトリの卵はスケーリングの良い例です。大きくても小さくても、その中間でもかまいませんが、受精卵のサイズに関係なく、孵化した場合、製品は完全なひよこになります。部品。 「チューリングが答えられない問題は、そのスケーリング プロセスをどのように実現するかということです。」緑は言った。
その答えは、マウス胚の足の指の形成に関する新しい論文にあるかもしれません。スペインのカンタブリア大学とスペイン研究評議会の共著者であるマリア A. ロスによると、この研究の目的は多指症 (たとえば、片手の第 6 指など) の形成です。
数字のパターンはストライプのパターンに似ています。しかし、指は縞模様のパターンで扇状に広がりますが、指先の間の距離 (波長と言えば波長) とナックルの間の距離は異なります。パターンは比例してスケーリングされます。これらのストライプがチューリング メカニズムに起因する場合は、他の何かがスケーリングに影響を与えているに違いありません。
いくつかの遺伝子が多指症に関連していますが、最も顕著なのは Gli3 と呼ばれる遺伝子です。 Shhによって規制されている .以前の研究では、両方の Gli3 が存在しないと結論付けていました。 そしてシーッ マウスの胚では、Hox として知られる遺伝子のクラスが増加します。 指や足の指の数を含む体の構造の適切な発達に不可欠な遺伝子.
ねずみには 39 の Hox があります 4つの異なるクラスターの遺伝子。 Ros は、Hox が増えるという仮説を検証することにしました。 遺伝子はHoxを徐々にノックアウトすることで、より多くの数字をもたらしました バリアント。彼女は Hox が増えるにつれて桁数が減ると予想していました。 遺伝子を取り除いた。代わりに、反対のことが起こりました:ホックスが増える 遺伝子が取り除かれると、より多くの余分な数字が現れました — 1 つのケースでは 15 ものものでした.
そして、余分な数字はより細く、互いに接近していました。それらは枝分かれするパターンに分かれます — Green がマウスの口蓋の尾根を使った実験で観察したのと同じパターンです。バルセロナのゲノム調節センターのシステム生物学者であり、Ros の共著者の 1 人である James Sharpe が、指の太さと間隔に関する実験データをコンピューター モデルに入力したとき、彼はチューリングを介して効果を再現することができました。
指のパターン化には 2 つのプロセスがあることがわかりました。ストライプ状のパターンを生成するチューリング メカニズムと、Hox を介してスケーリングを制御する第 2 の調整メカニズムです。 遺伝子。シャープは、それらを同じメカニズムの異なる側面と見なすことを好みます.
チューリングのモデルは、独立したメカニズムとしてではなく、他の要因と連携して、より大きな生物学的システムのコンテキスト内で特定の開発の役割を果たしていると考えるのが最善かもしれません. 「チューリング プロセスは、複数のモルフォゲンがどのように連携するかを理解する上でのパズルのピースです」と Green 氏は述べています。
私たちは、遺伝子が他の遺伝子や無数の環境要因と相互作用して形質を発現することをすでに知っています。 「生物学的発生を本当に理解するには、観察されたパターンを生成する物理的要素に遺伝子がどのように影響するか、そしてもちろん、実際の生物学的要素が何であり、それらがどのように相互作用するかを知る必要があります」とマレーは言いました.繰り返しますが、理論モデリングにはその場所があります。 「発生を理解するために必要なのは遺伝学だけだったとしても、ニワトリの作り方はまだわからないでしょう。」
