Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει πώς οι ανεπαίσθητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων και των χημικών σημάτων ενδέχεται να διαμορφώνουν τα περίπλοκα μοτίβα των τριχών στα θηλαστικά.
Η ακριβής διάταξη των θυλάκων των τριχών στο δέρμα ενός ζώου ενδέχεται να προκύπτει μέσα από μια εκπληκτικά απλή διαδικασία. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE) ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο δείχνει πώς τα κύτταρα, ανταποκρινόμενα σε χημικά σήματα, μπορούν να δημιουργήσουν διαφορετικά μοτίβα τριχοφυΐας σε δύο είδη θηλαστικών, χωρίς να απαιτείται ένας πολύπλοκος μηχανισμός που να καθορίζει τη θέση σχηματισμού κάθε θύλακα.
Η έρευνα, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό PNAS, αμφισβητεί μια μακροχρόνια επικρατούσα θεωρία σχετικά με την ανάπτυξη των θυλάκων των τριχών και υποδεικνύει ότι οι διαφοροποιήσεις στην ίδια βασική κυτταρική διαδικασία θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη δημιουργία διαφορετικών μοτίβων τριχοφυΐας μεταξύ των ειδών.
Πώς καθορίζεται η θέση των θυλάκων των τριχών στο δέρμα
Οι θύλακες των τριχών αρχίζουν να σχηματίζονται πριν από τη γέννηση, μέσα από εξειδικευμένες εμβρυϊκές δομές που ονομάζονται πλακώδια. Από αυτές τις δομές προκύπτουν επίσης τα φτερά και οι περισσότερες μορφές λεπιών. Η διάταξή τους διαφέρει από είδος σε είδος, ωστόσο οι επιστήμονες διαφωνούν εδώ και χρόνια σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι αναπτυσσόμενοι ιστοί καταφέρνουν να δημιουργούν τόσο οργανωμένα μοτίβα.
Στα εργαστηριακά ποντίκια (Mus musculus), η επικρατέστερη μέχρι σήμερα εξήγηση είναι το μοντέλο της διαδοχικής επαγωγής και επέκτασης (expansion-induction model). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, κάθε νέο πλακώδιο που σχηματίζεται απελευθερώνει ένα ανασταλτικό μόριο, το οποίο εμποδίζει προσωρινά τη δημιουργία άλλων πλακωδίων σε κοντινή απόσταση.
Καθώς το δέρμα αναπτύσσεται και επεκτείνεται, νέες περιοχές απομακρύνονται από την επίδραση του μορίου, επιτρέποντας έτσι τον σχηματισμό επιπλέον πλακωδίων στα κενά ανάμεσα στα ήδη υπάρχοντα. Παρότι το συγκεκριμένο μοντέλο μπορεί να εξηγήσει τα αναπτυξιακά μοτίβα που παρατηρούνται στα εργαστηριακά ποντίκια, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη αποδείξει πειραματικά ότι εξηγεί με τον ίδιο τρόπο την οργάνωση των θυλάκων των τριχών και στα υπόλοιπα θηλαστικά.
Ένας απλούστερος μηχανισμός που καθοδηγείται από χημικά σήματα
Μια ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής την Αθανασία Τζίκα (Athanasia Tzika), Ανώτερη Λέκτορα, και τον Michel Milinkovitch, καθηγητή στο Τμήμα Γενετικής και Εξέλιξης του Πανεπιστημίου της Γενεύης (UNIGE), μελέτησε έναν διαφορετικό μηχανισμό, γνωστό ως χημειοταξία.
Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία τα κύτταρα μετακινούνται ανταποκρινόμενα σε χημικές διαβαθμίσεις, δηλαδή σε διαφορές στη συγκέντρωση χημικών ουσιών.Ο ίδιος μηχανισμός βοη θά, μεταξύ άλλων, τα λευκά αιμοσφαίρια να κατευθύνονται προς περιοχές όπου εκδηλώνεται φλεγμονή.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο κινητά κύτταρα στο χόριο, δηλαδή στο εσωτερικό στρώμα του δέρματος, ανταποκρίνονται σε ένα ελκτικό χημικό σήμα που παράγεται από την επιδερμίδα, την εξωτερική στιβάδα του δέρματος.
Καθώς το προσομοιωμένο εμβρυϊκό δέρμα αναπτύσσεται, οι αλληλεπιδράσεις αυτές οδηγούν αυθόρμητα στη δημιουργία πλακωδίων, σχηματίζοντας μοτίβα που αντιστοιχούν σε μεγάλο βαθμό στη διαδικασία ανάπτυξης που έχει παρατηρηθεί στα εργαστηριακά ποντίκια.
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι τα μοτίβα που παρατηρούμε δεν απαιτούν έναν πολύπλοκο μηχανισμό που να καθορίζει τη θέση σχηματισμού κάθε πλακωδίου», εξηγούν οι Muhamet Ibrahimi και Ebrahim Jahanbakhsh, ερευνητές στο Τμήμα Γενετικής και Εξέλιξης. «Αντίθετα, τα πλακώδια σχηματίζονται αυθόρμητα μέσα από τοπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων και των χημικών σημάτων».
Η δοκιμή του μοντέλου σε ένα διαφορετικό είδος θηλαστικού
Στη συνέχεια, οι ερευνητές μελέτησαν τον ακανθόμυ (Acomys dimidiatus), ένα τρωκτικό του οποίου οι θύλακες των τριχών σχηματίζουν ένα ιδιαίτερα κανονικό και οργανωμένο ως προς την κατεύθυνσή του μοτίβο. Σε αντίθεση με τη διάταξη που παρατηρείται στα εργαστηριακά ποντίκια, αυτή η χαρακτηριστική οργάνωση δεν μπορεί να εξηγηθεί από το παραδοσιακό μοντέλο της διαδοχικής επαγωγής και επέκτασης.
Χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από τρισδιάστατη απεικόνιση εμβρυϊκού δέρματος, η ερευνητική ομάδα προσαρμόσε το μαθηματικό της μοντέλο, ώστε να λαμβάνει υπόψη τις ιδιαίτερες βιοχημικές ιδιότητες και τα πρότυπα ανάπτυξης του δέρματος του ακανθόμυ. Ο ίδιος μηχανισμός της χημειοταξίας κατάφερε να αναπαράγει με επιτυχία τη χαρακτηριστική διάταξη των θυλάκων των τριχών του συγκεκριμένου είδους.
Οι προσομοιώσεις αυτές υποδεικνύουν ότι τα διαφορετικά μοτίβα τριχοφυΐας στα θηλαστικά ενδέχεται να προκύπτουν από μια κοινή διαδικασία, η οποία καθοδηγείται από την κυτταρική μετακίνηση και τη χημική σηματοδότηση, με τις ιδιαιτερότητες κάθε είδους να καθορίζονται από τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται αυτές οι αλληλεπιδράσεις.
Τα αποτελέσματα προσφέρουν μια πιθανή εναλλακτική εξήγηση στο καθιερωμένο μοντέλο. Ωστόσο, το γεγονός ότι το μαθηματικό μοντέλο αναπαράγει τα παρατηρούμενα μοτίβα δεν αποδεικνύει από μόνο του ότι η χημειοταξία είναι πράγματι ο μηχανισμός που λειτουργεί στο ζωντανό δέρμα.
«Η έρευνά μας υποδεικνύει ότι απλές κυτταρικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να δημιουργήσουν την εντυπωσιακή ποικιλομορφία των αρχιτεκτονικών των ιστών που παρατηρούμε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης», καταλήγει η Αθανασία Τζίκα. «Επομένως, οι διαφορές μεταξύ των ειδών προκύπτουν από την ίδια διαδικασία αυτοοργάνωσης, αλλά μέσα από διαφοροποιήσεις στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων και των χημικών σημάτων».
