Теория морфогенеза Алана Тьюринга презентация

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?

nonSTop
[ВГМУ им.Н.Н.Бурденко]
Чуян А.О.

реализации идеи на практике

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.

Два динамически взаимодействующих вещества

имеется два вещества, которые распространяются с разной скоростью и взаимодействуют друг с другом

имеется два вещества, которые распространяются с разной скоростью и взаимодействуют друг с другом

имеется два вещества, которые распространяются с разной скоростью и взаимодействуют друг с другом

диффузии)

Спонтанно порождает разнообразные «рисунки» изменения концентраций в пространстве (как подвижных, вроде бегущих волн, так и стационарных).

полосок зебры и других замысловатых узоров и орнаментов

механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.

Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев, состоит из трех компонентов

Bmp

Wnt

Sox9

механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.

Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев, состоит из трех компонентов

активирует в зачатках пальцев рост самих пальцев

ингибирует рост ткани между пальцами, отвечает за толщину пальцев, промежутки между ними

основной транскрипционный фактор

механизм отвечает и за формирование пальцев у позвоночных.

Модель Тьюринга, описывающая формирование пальцев, состоит из трех компонентов

активирует в зачатках пальцев рост самих пальцев

ингибирует рост ткани между пальцами, отвечает за толщину пальцев, промежутки между ними

основной транскрипционный фактор

организация паттерна из полос

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 

Sox9

Sox9 (красный) формирует случайно ориентированные полосы, когда в моделировании не учитываются другие факторы.

Sox9

Добавление в модель влияния Hoxd13 приводит к тому, что Sox9 формирует четкие параллельные полосы, но при этом также возникает ветвление пальцев (отмечено стрелкой).

Sox9

Под влиянием FGF формируются радиально идущие полосы Sox9. 

Sox9

Совместное влияние FGF и Hoxd13 на систему Sox9-Bmp-Wnt приводит к появлению пяти полос Sox9, соответствующих зонам будущих пальцев 

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.

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.

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-Мари-Тута, Маффучи и др.

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

Bmp

Sox9

FGF

Hoxd13

с врожденным пороком кисти (совершенствование службы медико-генетической консультации)

2) Применение ранее описанного метода корректировки формирующихся пороков кисти при помощи ЛС в форме капсулы-импланта, 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.

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.

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;