Пръстовите отпечатъци: какво определят гените и как протича формирането им

Свикнали сме да приемаме, че пръстовите отпечатъци са нещо напълно индивидуално. С тях отключваме телефоните си, потвърждаваме самоличността си или просто ги оставяме по стъклените предмети, които докосваме. Фините релефни линии по върховете на пръстите ни обаче поставят биологичен въпрос, на който дълго време нямаше подробен отговор: как всъщност се образуват?

Папиларните линии започват да се оформят още преди раждането. Гените участват в процеса, но точната подредба на всяка линия не е записана в ДНК като готов набор от указания. Тя възниква в хода на растежа на пръстите и развитието на покриващата ги кожа.

Изследванията върху човешкото развитие вече позволяват този процес да се проследи много по-подробно. В образуването на характерните линии по върховете на пръстите участват молекулярни сигнали, промени във формата на развиващите се пръсти и взаимодействия в кожата, които могат да пораждат равномерно разположени структури.

Формирането на пръстовите отпечатъци започва преди раждането

Развиващата се ръка непрекъснато променя размерите и формата си. В ранните етапи от развитието на плода по върховете на пръстите, дланите и ходилата се появяват временни издатини, наречени воларни възглавнички. По пръстите те са налице през същия период, в който започват да се оформят бъдещите папиларни линии.

Моментът на появата им е съществен, защото линиите се образуват върху повърхност, която също се променя. Върховете на пръстите растат, воларните възглавнички постепенно се смаляват, а с напредването на развитието се променя и връзката между епидермиса и подлежащата тъкан.

Първичните епидермални гребени, от които по-късно ще се оформят видимите папиларни линии, започват да се образуват по време на вътреутробното развитие. Към средата на бременността основният рисунък на отпечатъка вече е оформен. На по-късен етап се добавят по-фини структурни подробности, но основната подредба възниква още преди раждането.

Дълго време за изследователите беше по-лесно да опишат отделните етапи на развитие, отколкото да обяснят механизма, който поражда самите линии. Това се промени съществено с изследване на Джеймс Глоувър и колеги, публикувано през 2023 г. в Cell. В него авторите изследват човешка фетална тъкан, експериментални модели и математически симулации, за да установят как възникват папиларните линии.

Как кожата започва да образува линии

Най-ранните папиларни линии се появяват като малки епителни структури. На молекулярно равнище те наподобяват ранния зачатък на космения фоликул.

Приликата се ограничава до този ранен етап от развитието на епитела. При развиващия се космен фоликул под епитела се струпват мезенхимни клетки, след което той преминава през следващите етапи, необходими за образуването на фоликул. При папиларните линии такова мезенхимно струпване не се образува и развитието не преминава през по-късните етапи, характерни за космения фоликул. Вместо това епителните структури се удължават и оформят гребени.

Участват няколко сигнални пътя, сред които WNT, BMP и EDAR.

Доказателствата за причинно-следствена връзка идват от експерименти върху пръстите на мишки: намесата в сигналните пътища WNT, EDAR или BMP променя образуването на гребените и, според конкретната намеса, разстоянието между тях или дебелината им. В култивирана кожа от воларната повърхност на човешки плод се наблюдават промени в молекулните сигнали и генната експресия при въздействие върху тези пътища. В органоиди от човешка кожа WNT увеличава пролиферацията на епидермалните клетки и експресията на LEF1, а BMP намалява пролиферацията; нито една от двете системи с човешка тъкан не показва промените в папиларните гребени, наблюдавани при мишките.

Не е необходима отделна генетична инструкция за мястото на всяка папиларна линия. Разстоянието между линиите може да се получи вследствие на локални молекулярни взаимодействия в развиващата се тъкан.

Алън Тюринг и разстоянието между папиларните линии

През 1952 г. математикът Алън Тюринг публикува модел, който показва как вещества, които се разпространяват в тъканта и взаимодействат помежду си, могат да породят подредени биологични структури.

При подходящи условия активиращ сигнал стимулира даден процес на едно място, а противоположен сигнал го ограничава в съседните участъци. Многократното им взаимодействие може да създаде равномерно разположени структури, вместо растежът да бъде еднакъв в цялата тъкан.

Такъв процес се нарича реакционно-дифузионна система.

Експериментите с мишки, при които сигналните пътища са целенасочено променяни, подкрепят съществуването на такива взаимодействия. Математическото моделиране показва, че взаимодействието на EDAR и WNT с потискащото действие на BMP може да обясни равномерното разположение на развиващите се гребени.

Само равномерното разположение обаче не е достатъчно за появата на дъговидните, примковидните и кръговидните рисунъци.

Линиите не започват да се образуват едновременно по целия връх на пръста. Формирането им започва от няколко анатомично обособени места, сред които участъци около центъра на воларната възглавничка, границата между гръбната и дланната страна близо до нокътното ложе и сгъвната бразда. От тези места образуването на гребени се разпространява на вълни по развиващия се връх на пръста. Моментът, в който тръгват вълните, и мястото на възникването им влияят върху начина, по който се срещат.

Когато в математическите си модели изследователите променят местата, от които започва образуването на гребените, те успяват да възпроизведат основните видове рисунък на пръстовите отпечатъци: дъговиден, примковиден и кръговиден.

Рисунокът на пръстовия отпечатък зависи от молекулярната система, която го образува, и от геометрията на повърхността, върху която протича процесът.

Геометрията на пръста на свой ред се влияе от гените, активни по време на развитието на крайниците.

Какво всъщност определят гените

В голямо общогеномно изследване, публикувано през 2022 г. в Cell, учените търсят генетични варианти, свързани с рисунъка на пръстовите отпечатъци.

Първоначалните общогеномни анализи сред представители на китайската етническа група хан установяват 18 свързани локуса. Последващ метаанализ, обхванал различни етнически групи, открива 43 локуса, свързани с пръстовите отпечатъци. В близост до тези области особено често се срещат гени с роля в развитието на крайниците.

Сред най-силните генетични сигнали преобладават връзките с гени, участващи в развитието на самите пръсти, а не с гени, които изграждат гребените в кожата.

Един от подробно изследваните варианти се намира близо до локуса MECOM, който кодира транскрипционния фактор EVI1. Експерименти с мишки потвърждават ролята на EVI1 във формирането на дерматоглифния рисунък. Експресията му по време на човешкото развитие подсказва, че той влияе върху пръстовите отпечатъци чрез участието си в оформянето на крайниците и пръстите, а не чрез пряк контрол върху кожния рисунък.

В две от изследваните групи, включващи общо 6318 участници от китайската етническа група хан, учените откриват и генетични корелации между рисунъка на пръстовите отпечатъци и пропорциите на ръката.

Понятието „ген за пръстови отпечатъци“ придобива доста по-различен смисъл. Не е необходимо даден генетичен вариант да дава на кожните клетки точни указания къде да разположат дадена линия. Той може да промени развитието или пропорциите на пръста, върху който по-късно ще действа системата за образуване на гребени.

Скрит ли е пръстовият ви отпечатък в ДНК

По-голямата част от ДНК последователността е обща за всички хора. Малката част, която се различава между отделните хора, допринася за огромно разнообразие от биологични особености. Това лесно създава представата, че всяка индивидуална черта е записана някъде сред тези генетични различия.

Пръстовият отпечатък не е записан по този начин: никоя ДНК последователност не съдържа миниатюрна карта на всяко окончание, разклонение и извивка на папиларните линии на показалеца.

Генетичните различия могат да влияят върху типа рисунък на пръстовия отпечатък. Гените управляват развитието на пръстите и молекулярните механизми, необходими за образуването на епидермалните гребени. Окончателната подредба обаче се оформя, докато тези процеси протичат в растящата тъкан.

Еднояйчните близнаци произлизат от една и съща оплодена яйцеклетка и в началото имат изключително сходни геноми. Пръстовите им отпечатъци също могат да си приличат по общите характеристики на рисунъка, но фините подробности в папиларните линии не са еднакви.

Тази разлика не изисква всеки близнак да има отделен набор от „гени за пръстови отпечатъци“. Всеки плод преминава през собствено развитие. Системата за образуване на гребени действа върху пръстите на всеки от близнаците, които растат независимо, а малките локални различия по време на процеса могат да доведат до различна окончателна подредба.

Когато генетичен механизъм бъде нарушен

Редките случаи, при които нормалните епидермални гребени изобщо не се образуват, дават допълнителни данни за ролята на гените във формирането на пръстовите отпечатъци.

Адерматоглифията е рядко състояние, при което липсват нормалните епидермални гребени по пръстите и дланите на ръцете, както и по ходилата и пръстите на краката.

През 2011 г. изследователи проучват голямо семейство, в което адерматоглифията се унаследява автозомно-доминантно. Анализът им открива генетичен вариант в SMARCAD1. Вариантът нарушава участък за сплайсинг, свързан с къса изоформа на гена, която се експресира специфично в кожата. В семейството вариантът се унаследява заедно с адерматоглифията.

По-късни изследвания откриват при други хора с автозомно-доминантна адерматоглифия допълнителни варианти на SMARCAD1, които засягат същия еволюционно запазен участък за сплайсинг. Откритието допълнително подкрепя важната роля на специфичната за кожата форма на SMARCAD1 в развитието на дерматоглифите.

Изолираната адерматоглифия, свързана със SMARCAD1, е една от генетичните причини за липсата на дерматоглифи. Същата особеност може да се среща и като част от други наследствени синдроми.

Подобни случаи показват, че пръстовите отпечатъци не могат да се обяснят само със случайни събития по време на вътреутробното развитие. Нормалното развитие на гребените зависи от генетична регулация. Ако част от нея бъде нарушена, самите гребени може да не се развият нормално.

От ДНК до пръстовия отпечатък

Пръстовият отпечатък се формира чрез съчетание от процеси на различни биологични равнища. Гените влияят върху развитието и пропорциите на пръстите. Други генетични механизми са необходими за нормалното образуване на епидермалните гребени. Сигналните пътища WNT, BMP и EDAR участват в пространственото подреждане на гребените в кожата. Формата на растящия връх на пръста определя геометрията на повърхността, по която се разпространява процесът. Гребените започват да се образуват на определени анатомични места, а начинът, по който се срещат, допринася за дъговидния, примковидния или кръговидния рисунък.

Когато процесът завърши, получената подредба на папиларните линии е достатъчно индивидуална, за да служи за биометрична идентификация.

Подробната конфигурация на конкретния пръстов отпечатък възниква в хода на развитието, без да е записана предварително в генома.